提高木炭還原氧化銅成功率的方法

蘇江紅

(武漢華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬中學(xué)，湖北 武漢 430000)

提高木炭還原氧化銅成功率的方法

蘇江紅

(武漢華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬中學(xué)，湖北 武漢 430000)

將木炭粉與氧化銅粉末混合充分研磨，用酒精燈加熱能發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，固體生成物可能全部或部分是暗紅色粉末.利用新制得的反應(yīng)物提高反應(yīng)活性，控制好反應(yīng)物比例，提升反應(yīng)溫度，使反應(yīng)物能擴(kuò)散穿過致密的產(chǎn)物層，順利完成晶體生長(zhǎng)反應(yīng)，可生成紅色光亮的金屬顆粒.

木炭還原氧化銅；實(shí)驗(yàn)；成功率

木炭還原氧化銅是化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)重要演示實(shí)驗(yàn)，但在課堂上完美呈現(xiàn)的成功率不高.通過多次實(shí)驗(yàn)，有如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí).

一、如何判斷木炭還原氧化銅的演示實(shí)驗(yàn)是否成功？

木炭還原氧化銅是一個(gè)放熱反應(yīng)，判斷實(shí)驗(yàn)是否成功，有兩個(gè)非常明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：一是試管里的物質(zhì)呈現(xiàn)出通紅熾熱的劇烈燃燒的現(xiàn)象；二是反應(yīng)后的固體生成物是光亮紅色金屬顆?；蚪饘賶K.為了驗(yàn)證生成物中暗紅色粉末與光亮紅色金屬顆?；蚪饘賶K的成分，進(jìn)行了如下試驗(yàn)：

1.實(shí)驗(yàn)操作：取2支試管，第一支裝入少許暗紅色粉末，第二支裝入光亮紅色金屬塊，再分別往2支試管中加入約10mL稀硫酸，用酒精燈分別將兩支試管微微加熱2min.

2.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：第一支加熱后暗紅色粉末明顯減少且溶液由無色變?yōu)樗{(lán)色；第二支加熱后亮紅色的金屬塊沒有明顯變化且溶液依然呈無色.

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)論：暗紅色粉末含有較多氧化亞銅，而光亮紅色金屬顆?；蚪饘賶K是純度較高的銅.

二、為什么要將反應(yīng)固體混合物充分研磨？

木炭還原氧化銅是兩種固體粉末間的反應(yīng)，固體質(zhì)點(diǎn)間作用力很大，運(yùn)動(dòng)范圍小，反應(yīng)很難進(jìn)行.溫度升高，晶格中的質(zhì)點(diǎn)取得位移所必需的活化能后，就可克服周圍質(zhì)點(diǎn)的作用，在晶體內(nèi)部進(jìn)行位置的交換，也可擴(kuò)散到晶體表面，并擴(kuò)散到與之相接觸的鄰近的其它晶體內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng).這種固體間質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散的過程，就導(dǎo)致了固體間反應(yīng)的發(fā)生.

將反應(yīng)物混合充分研磨后，反應(yīng)物的顆粒越小，它的比表面越大，物質(zhì)擴(kuò)散的截面越大，反應(yīng)能力和擴(kuò)散能力越強(qiáng).研磨時(shí)間增大，細(xì)顆粒聚結(jié)形成二次顆粒，反而減小了表面積，調(diào)整了缺陷、緩和了應(yīng)力，活性降低；二次粒子也會(huì)隨繼續(xù)研磨而破壞，使比表面積變化呈波浪型，過度研磨無作用.

三、為什么能觀察到劇烈燃燒現(xiàn)象，固體生成物卻不一定有光亮紅色的金屬顆粒？

反應(yīng)開始生成的產(chǎn)物分子分散在母體反應(yīng)物中,只能當(dāng)作一種雜質(zhì)或缺陷的分散存在,只有當(dāng)產(chǎn)物分子達(dá)到一定數(shù)量, 才能出現(xiàn)產(chǎn)物的晶核,從而完成成核過程.當(dāng)反應(yīng)后固體生成物成為光亮金屬顆粒時(shí)，試管口的棉花會(huì)呈焦糊狀，若固體生成物是暗紅色粉末，試管口的棉花沒有出現(xiàn)焦糊狀.說明用酒精燈加熱可讓反應(yīng)發(fā)生并呈現(xiàn)劇烈燃燒現(xiàn)象，但要使反應(yīng)物擴(kuò)散并穿過致密產(chǎn)物層，讓反應(yīng)能夠繼續(xù)進(jìn)行下去僅靠酒精燈加熱無法實(shí)現(xiàn)，必須利用反應(yīng)本身釋放出大量的熱量積聚來提升溫度使反應(yīng)繼續(xù).

四、如何利用反應(yīng)釋放出的熱量讓反應(yīng)過程中的溫度能進(jìn)一步提升，使固體生成物成為光亮金屬顆粒？

1.提升反應(yīng)速率，單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)釋放出更多的熱量.

(1)新制得反應(yīng)物與陳化后反應(yīng)物反應(yīng)性能不同，初生態(tài)反應(yīng)物內(nèi)部及表面缺陷結(jié)構(gòu)多，晶格不完整，處于高能量活化狀態(tài)，具有很大反應(yīng)活性.隨陳化時(shí)間增加，缺陷部分消失，活性會(huì)下降.

(2)反應(yīng)物顆粒大小相同時(shí)，適度改變兩種反應(yīng)物的比例，就會(huì)改變反應(yīng)物總表面積和擴(kuò)散截面積的大小，從而加快反應(yīng)速率.從理論上進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)碳與氧化銅的質(zhì)量比為3∶40(1∶13.3)時(shí)，二者恰好完全反應(yīng).

(3)用帶防風(fēng)罩的酒精燈對(duì)試管采用豎立式加熱，提升加熱效率，使反應(yīng)物晶體中位移的質(zhì)點(diǎn)獲得更多的活化能，物質(zhì)擴(kuò)散速率加快，反應(yīng)速率更快.

2.讓反應(yīng)釋放出的熱量集中于一處，使反應(yīng)溫度進(jìn)一步升高.

取研磨好的固體粉末于小號(hào)試管中，用玻璃棒將固體粉末壓緊壓實(shí)，用帶防風(fēng)罩的酒精燈對(duì)試管采用豎立式加熱.小號(hào)試管空間小，反應(yīng)釋放熱量更集中，利于提升反應(yīng)過程中的溫度.將反應(yīng)物粉末壓緊壓實(shí)，縮短了反應(yīng)物顆粒間的距離，使反應(yīng)物的接觸面積和物質(zhì)擴(kuò)散的截面增大，原子擴(kuò)散距離縮短，反應(yīng)速率更快；也能使反應(yīng)釋放的熱量更集中，反應(yīng)過程中溫度能繼續(xù)升高，加快產(chǎn)物新核的形成速率以及核的生長(zhǎng)和擴(kuò)展速率，有利于固體生成物成為光亮的金屬塊.

五、實(shí)驗(yàn)操作

1.在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中要保持所有實(shí)驗(yàn)器具潔凈干燥，若研缽內(nèi)壁有很難清洗的附著物，可加適量食鹽充分研磨，再用水清洗干凈后晾干備用.

2.取堿式碳酸銅粉末在坩堝中邊加熱邊用玻璃棒緩緩攪動(dòng)，能觀察到表面的固體粉末因分解產(chǎn)生的氣體沖出而運(yùn)動(dòng)，當(dāng)粉末全部變成黑色且固體粉末表面完全平靜表明反應(yīng)完全，停止加熱.

3.取幾塊木炭用研缽充分研磨，直到木炭粉中沒有顆粒狀木炭反光，將研磨好的木炭粉末置于坩堝中加熱至無水汽冒出即可.

4.稱取0.2g烘干的木炭粉和2.3g新制取的氧化銅粉末于研缽中，用力快速研磨5min.

5.取研磨好的固體粉末大約二分之一于小號(hào)試管中，用玻璃棒將固體粉末壓緊壓實(shí)，試管口塞一團(tuán)棉花.剛開始加熱時(shí)，反應(yīng)物整體被緩緩?fù)粕?，此時(shí)可輕輕敲擊試管，使反應(yīng)物整體下落到試管底部加熱兩分鐘左右會(huì)出現(xiàn)劇烈燃燒的紅熱狀態(tài)，反應(yīng)結(jié)束后停止加熱，關(guān)閉止水夾冷卻至室溫.不用將固體生成物從試管中倒出，學(xué)生能直接觀察到試管底部的固體生成物有非常光亮的金屬光澤.若反應(yīng)結(jié)束后持續(xù)加熱直到試管內(nèi)紅熱現(xiàn)象褪去，試管底部可出現(xiàn)“銅鏡”現(xiàn)象.

[1]汪興源.木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的探討[J].科學(xué)教育，1995(03).

2017-08-01

蘇江紅(1972.7-)，漢，男，湖北省松滋市，大學(xué)本科，中教一級(jí)，化學(xué)教育.

G632

A

1008-0333(2017)22-0092-02

責(zé)任編輯：季春陽]