演示实验“木炭还原氧化铜”的研究与改进

2021-11-24蔡贞陈莉

化学教与学 2021年3期

蔡贞陈莉

摘要：木炭还原氧化铜实验是九年级化学中重要的演示实验。在一线教学中，该实验的现象常无法直观说明有铜生成，进而影响产物的判断以及对碳的还原性的认识。在研读相关文献并进行大量实验研究的基础上，通过改进热源、药品及实验装置，实现了短时间内观察到明显现象，成功率高，且安全环保，适合课堂演示，易于推广。

关键词：演示实验;木炭还原氧化铜;研究;改进;课堂教学

文章编号：1008-0546（2021）03-0084-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.020

一、实验研究的缘起

“木炭还原氧化铜”实验是人教版九年级化学第六单元课题1“金刚石、石墨和C60”中的实验6-2，为教师演示实验。在一线教学中，常按如下流程组织教学：演示实验→观察实验现象→推测实验产物→书写化学方程式→分析反应中的得氧失氧情况→得出碳具有还原性。由于此实验不太容易成功，有时加热很长时间也只是产生少量红色粉末。在观察实验现象时，学生常有质疑：“生成的红色粉末真的是铜吗？”似乎与想象中的金属铜存在差异。其实，木炭在还原氧化铜的过程中还很可能生成红色的氧化亚铜粉末。以学生目前的认知水平，只有直观看到具有金属光泽的铜，才能使其确信。于是，笔者对这个经典实验进行了研究，以期在课堂演示时能在较短时间内做出有金属光泽的铜，为木炭还原氧化铜生成单质铜提供更为直观的证据，同时培养学生实事求是的科学态度以及证据推理的学科意识，从而提高课堂教学的质量及效率。

二、实验研究的过程

1.文献研究

木炭还原氧化铜的实验由于难成功，是很多教师及教研工作者研究的实验。笔者在中国知网CNKI中小学数字图书馆以“木炭还原氧化铜”为主题进行检索，共检出111篇相关文献，再结合文献来源进行筛选，对其中的近70篇文献进行梳理，发现对于该实验的理论研究不多，主要为实证研究，即通过多次实验对反应物的种类、配比以及受热方式等进行比较研究，从而使实验现象更快更明显地呈现。

基于已查阅的文献资料，对该实验反应物选择的研究如下：反应物“炭”大都选择木炭或活性炭，也有选择自制“炭”的，如用火柴杆自制的木炭粉[1]、石蜡不充分燃烧制成的炭黑[2]、蔗糖脱水炭化制出的炭[3]等，还有些选择了复印机的碳粉[4]、铅笔芯以及碳素墨水[5]进行实验;反应物氧化铜粉末大都选择了市售的化学纯或分析纯氧化铜粉末，部分老师选择表面有新生成氧化铜的铜丝或铜片进行实验，也有老师通过氢氧化铜或碱式碳酸铜分解制备氧化铜，甚至有老师用硫酸铜晶体与木炭粉混合后通过系列反应将生成的氧化铜吸附在木炭粉上[6]进行實验。除此以外，有研究发现铁粉可作此反应的催化剂[7]，加入氯化钙等金属氯化物可降低反应的温度要求，用酒精灯加热就可以反应，且成功率高[8]。而“炭”与氧化铜粉末混合的质量比也是这个实验研究的重点，多数老师的实验研究表明1：10或1：11为最佳配比。这个反应需要高温引发，教材中指出可以用酒精喷灯代替酒精灯进行实验，所以改进热源是提供高温的一个角度，如将酒精灯中的灯芯换成粗棉花[9]以提高酒精灯温度，或是用双氧水制取氧气通到酒精灯火焰处，使酒精充分燃烧，放出更多热量[10]，还有老师尝试用电加热管通电3min看到了明显现象[11];另外一个提高温度的角度就是聚热，有老师在试管外壁包裹铝箔或缠绕80匝铜丝[12]，利用金属导热性好，快速、均匀、大面积获取并积聚热量，产生高温引发反应，也有改变装置如将试管竖直加热，或将小试管底部弯曲成略小于90度角[13]，使反应物聚集受热，更快提升温度的改进。

这些研究和改进也给予笔者很多启示及思考，对于一个课堂演示实验，它的主要功能是为教学服务，所以实验的呈现需要充分考虑学生的认知水平。“木炭还原氧化铜”是新授课中的研究木炭具有还原性的实验，让学生观察到有金属光泽的铜是这个实验需要达成的首要目标。因此，我们舍弃了用表面附着新制氧化铜的铜丝或铜片进行实验，因为黑色氧化铜消失不如让学生看到有铜珠或铜块生成更直观、易理解。由于选择混合粉末进行实验，用时相较更长，为使反应在较短时间能观察到明显现象，研究者们进行了很多改进。但笔者认为，新授课的演示实验在能保证现象的基础上，改进不宜太过复杂，否则不利于学生理解。比如文献中提到的催化剂铁粉、可降低反应温度要求的氯化物等能帮助我们研究这个实验，却不宜在演示实验时添加。还有一些老师的研究中提到加水、酒精、石蜡、棉花、凡士林等能提高实验的成功率，看到更为明显的现象。我们暂且不讨论这些实验中是否有其他物质还原氧化铜，仅这些反应物以外物质的加入就会干扰学生对实验原理的理解。因此，在确保实验现象的基础上，所用药品应尽可能单一，便于学生对实验有一个清晰的认识。实验装置的呈现也同样需要考虑学生的已有认知以及螺旋上升的发展规律，尽可能选用简单、学生可理解的装置进行演示。

于是，我们从教材中的实验内容及装置出发，进行了以下一系列的实践研究。

2.实践研究

（1）制得具有金属光泽的红色物质

通过研究教材实验内容，结合文献资料，我们进行了很多次实验，终于得到了红色光亮的铜，相较红色粉末，这一现象更能说明有铜生成。总结成功经验，发现这个实验的关键在于以下几点：①将药品充分烘干后进行实验;②木炭粉末和氧化铜粉末按质量比1：10充分混合;③使用加网罩的酒精灯加热效果更佳。

（2）缩短时间，提高效率

达成首要目标后，就希望在课堂演示时能更快地出现这样的现象，以提高课堂效率。于是，我们从热源和接触面积两个角度，对实验进行了对比研究。

①热源的对比确定

取刚烘干的质量比为1：10并充分混合的木炭粉末和氧化铜粉末1.5g分别做了四种热源的对比实验，前三种是教材实验内容中提到的，加网罩的三芯灯是学校实验室自制的，实验情况如表1所示。综合比较，我们最终确定了利用加网罩的三芯灯作为本实验的加热源，受热面积相对更大，实验温度提升更快。

除了改进热源，我们还想通过增大接触面积来加快反应。于是，我们首先尝试了“黑面包”实验得到的炭（后面简称“黑面包”炭），具体做法为：取20g蔗糖，加入100ml，的烧杯中，倒入2-3mL的水，搅拌使蔗糖润湿，量取15-20mL的浓硫酸慢慢倒人烧杯中，搅拌烧杯中的混合物直到蔗糖变黑后将玻璃棒垂直插入烧杯中央，形成蓬松的“黑面包”炭。充分冷却后进行研磨，用蒸馏水浸泡15分钟左右，再用蒸馏水冲洗7-8次，过滤后低温烘干备用。按质量比1：10将“黑面包”炭粉末与氧化铜粉末充分混合，取1.5g混合物于试管中，用加网罩的三芯灯加热，55s左右试管中就出现了明显红热现象，石灰水变得非常浑浊。此时得到的是红色有金属光泽的铜珠，达到了“既好（现象明显）又快（时间短）”的目标。

之后，我们还尝试了活性炭颗粒研磨成的粉末及市售的活性炭粉末取代木炭粉末进行实验，发现市售活性炭粉末的实验效果与“黑面包”炭粉末相似，也有明显铜珠，时间也很接近，约63s出现明显红热。但活性炭颗粒研磨成的粉末很难做出类似明显的实验现象。

综合考虑实验操作及实验效果，黑面包“炭”粉末的制作过程相对繁琐，且需要更长时间烘干，周期长、不方便，所以最终选用效果相似的活性炭粉末进行实验。

（3）产物研究

在研究该实验的过程中，我们还借助一氧化碳传感器对实验中产生的一氧化碳进行了监测（装置及数据见图1），发现一氧化碳的含量并不低，达到了几百ppm。因此，在确保实验现象明显的基础上，应尽量减少一氧化碳的产生。由传感器数据可知，木炭和氧化铜反应产生的一氧化碳多于活性炭和氧化铜的反应。因此，我们最终确定了使用活性炭粉末与氧化铜混合进行实验。

（4）装置改进

由于传感器监测到的一氧化碳较多，出于实验的绿色安全考虑，我们对装置进行了改进，如图2所示。即：保留了固体加热产生气体的原型装置，符合学生认知，易于学生理解。右侧装置做了密封设计，气球在此处一举两得，既防止一氧化碳逸出，又缓冲了实验过程中的气压变化。防倒吸管始终浸没在液面以下，防止生成的铜再次被氧化。“大肚”设计起到了防倒吸的作用，所以我们暂且叫它“防倒吸管”。这一部分的改进起到了防污染、防氧化、防倒吸的三重效果。

三、实验的改进

1.仪器与药品

（1）仪器

试管（规格15mm×150mm）、单孔橡皮塞（配套试管）、玻璃导管、乳胶管、防倒吸管（定制）、锥形瓶（250ml）、双孔橡皮塞（配套锥形瓶）、三芯灯（带网罩）、带铁夹的铁架台、升降台、火柴、药匙、气球。

（2）药品

刚烘干的活性炭粉末、氧化铜粉末（按质量比1：10混合，取1.5g混合物）。

2.實验装置说明

3.实验操作要点与现象

实验前，分别取活性炭粉末和氧化铜粉末于表面皿，放入恒温箱100℃烘1h，然后按质量比为1：10称量，放入研钵研磨10min，使其充分混合后装瓶备用。具体实验步骤如下：

①检查装置的气密性。

②用电子天平称取约1.5g混合物粉末，借助纸槽装入试管，让混合物自然堆积在试管底部，然后将试管固定在铁架台上，并按图3固定整套装置。

③用加网罩的三芯灯加热，右侧导管口有气泡逐渐连续大量冒出，约1min左右试管中出现明显红热熔岩状态，锥形瓶中出现大量浑浊，气球变大。