應(yīng)用氣體傳感器探究木炭還原氧化銅的氣體產(chǎn)物

張玉珍

摘要：?設(shè)計W形管實驗裝置和數(shù)字化實驗兩組方案，分別從定性和定量角度探究“木炭還原氧化銅”反應(yīng)的氣體產(chǎn)物成分及其與反應(yīng)物量的關(guān)系。通過實驗證明木炭還原氧化銅的氣體產(chǎn)物既有二氧化碳又有一氧化碳。運用無線二氧化碳傳感器和一氧化碳傳感器驗證該反應(yīng)的主要氣體產(chǎn)物為二氧化碳，通過增加反應(yīng)物氧化銅的量可以減少一氧化碳產(chǎn)生的量。

關(guān)鍵詞：?木炭還原氧化銅;?無線數(shù)字傳感器;?實驗探究;?W形管

文章編號：?10056629（2021）07006505

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

1?問題的提出

“木炭還原氧化銅”實驗是九年級化學教學中的重要演示實驗。學生在學習本實驗前已經(jīng)學習了質(zhì)量守恒定律，能夠根據(jù)質(zhì)量守恒定律猜測該反應(yīng)的氣體產(chǎn)物可能有三種情況：?（1）只有一氧化碳;（2）只有二氧化碳;（3）既有一氧化碳又有二氧化碳。傳統(tǒng)教學中，教師多從化學方程式配平角度引導(dǎo)學生從理論上得出，當氧化銅與木炭的物質(zhì)的量之比為2∶1時發(fā)生如下反應(yīng)：?2CuO+C高溫2Cu+CO2↑。

近年來，設(shè)計實驗探究木炭還原氧化銅氣體產(chǎn)物的成分已成熱點，但在教學中教師對于生成一氧化碳的問題往往并未做過多介紹，且教材裝置也只強調(diào)二氧化碳的檢驗（見圖1），所以學生難以理解為什么會有一氧化碳產(chǎn)生、為什么大試管中固體減少的質(zhì)量與澄清石灰水中增加的質(zhì)量不一定相等。這部分知識往往成為學生遺留的難點。

因此，筆者嘗試在教材實驗基礎(chǔ)上，分別利用W形管和氣體傳感器組合設(shè)計不同的實驗方案，進一步探究“木炭還原氧化銅”氣體產(chǎn)物成分及其與反應(yīng)物量的關(guān)系。

2?W形管探究木炭與氧化銅反應(yīng)的氣體產(chǎn)物實驗

2.1?儀器、藥品和材料

W形管、酒精燈、金屬網(wǎng)罩、木炭粉（AR）、氧化銅（AR）、澄清石灰水

2.2?實驗裝置

根據(jù)實驗原理，設(shè)計如圖2（a）所示的實驗裝置，檢驗?zāi)咎颗c氧化銅反應(yīng)后的氣體產(chǎn)物二氧化碳。圖2（b）和圖2（c）是一組對照實驗，用于檢驗反應(yīng)后可能產(chǎn)生的一氧化碳。

2.3?實驗步驟及現(xiàn)象

2.3.1?檢驗氣體產(chǎn)物二氧化碳

（1）?將氧化銅與木炭粉以質(zhì)量比為13.3∶1進行混合，研磨3分鐘。稱取0.4g研磨均勻后的混合粉末裝入W形管中凹槽A處，并用膠頭滴管封住該端管口。用膠頭滴管向B處放入1mL澄清石灰水[如圖2（a）所示]。

（2）?用金屬網(wǎng)罩罩住酒精燈，點燃酒精燈并對A處進行加熱，觀察現(xiàn)象。

（3）?分別用氧化銅與木炭粉質(zhì)量之比為10∶1、?6.7∶1研磨均勻的混合固體重復(fù)上述實驗。

2.3.2?檢驗氣體產(chǎn)物一氧化碳

（1）?向W管凹槽B1處放入0.2g氧化銅粉末，凹槽A1處不放置藥品[見圖2（b）]。點燃酒精燈，并對B1處固體加熱5分鐘，進行空白對照實驗。

（2）?另取干燥潔凈的W形管，將氧化銅與木炭粉以質(zhì)量比為13.3∶1均勻混合，研磨3分鐘。稱取0.4g研磨后的混合粉末裝入W形管中凹槽A2處，并用膠頭滴管封住該端管口。從另一端放入0.2g氧化銅粉末于凹槽B2處[如圖2（c）所示]。

（3）?兩個酒精燈均罩上金屬網(wǎng)罩，點燃酒精燈并用外焰同時對A2、?B2兩處加熱5分鐘。

（4）?實驗結(jié)束，移開W形管，觀察A2、?B2處固體顏色。

（5）?分別用氧化銅與木炭質(zhì)量比為10∶1、?6.7∶1研磨均勻的混合固體重復(fù)步驟（2）～（4）。

文獻資料顯示，木炭還原氧化銅實驗成功的藥品常見比例范圍為木炭與氧化銅的質(zhì)量比在1∶6～1∶13.3之間[1]，本實驗使用的藥品質(zhì)量比在此比例范圍內(nèi)。

2.3.3?實驗現(xiàn)象和結(jié)論

實驗結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)木炭粉和氧化銅在不同配比下的實驗現(xiàn)象基本一致。

圖2（a）裝置中A處黑色的反應(yīng)物變成紅色顆粒，B處石灰水變渾濁，證明反應(yīng)有二氧化碳氣體產(chǎn)生。圖2（b）裝置中，B1處固體沒有變化。而圖2（c）裝置中A2處固體明顯變紅，B2處有少量暗紅色固體產(chǎn)生，對比說明A2處反應(yīng)有一氧化碳生成。但B2處固體變紅程度與A2處相比不明顯，說服力不強，為了讓實驗結(jié)果更加精準，筆者設(shè)計了如下的數(shù)字化改進實驗。

3?數(shù)字傳感器探究木炭與氧化銅反應(yīng)的氣體產(chǎn)物實驗

3.1?儀器、藥品和材料

威尼爾無線氧氣濃度傳感器、朗威無線二氧化碳傳感器、朗威無線一氧化碳傳感器、電腦和配套軟件;氦氣、木炭粉（AR）、氧化銅（AR）;硬質(zhì)短試管、酒精噴燈、火柴、乳膠管、氣球、橡膠塞、平底三頸燒瓶、帶鐵夾的鐵架臺

3.2?實驗裝置簡介

如圖3所示，用定制的硬質(zhì)短試管進行反應(yīng)，用平底三頸燒瓶收集試管中反應(yīng)產(chǎn)生的氣體。三頸燒瓶一端口徑連接雙孔橡膠塞（配細而短的導(dǎo)氣管），并用氣球防止尾氣逸出。另外兩個口徑為定制尺寸，分別與無線一氧化碳傳感器和無線二氧化碳傳感器配接。該裝置保留了教材實驗的發(fā)生裝置，短試管和細玻璃管可以保證產(chǎn)生的氣體被快速導(dǎo)入三頸燒瓶，確保在密閉狀態(tài)下同步采集產(chǎn)生的一氧化碳和二氧化碳氣體的濃度數(shù)據(jù)。

為避免裝置內(nèi)空氣中的二氧化碳、氧氣與木炭反應(yīng)，對本實驗氣體產(chǎn)物的檢驗造成干擾，在實驗前用氦氣對裝置進行排空氣處理。先用氦氣槍向三頸燒瓶和短試管中通入氦氣，用氧氣濃度傳感器和二氧化碳傳感器檢測裝置內(nèi)空氣是否除盡[如圖4（a）、圖4（b）所示]。

通氦氣前，裝置內(nèi)空氣中含有二氧化碳，其含量約為600ppm，

隨著氦氣的不斷通入，二氧化碳氣體含量降至0ppm，說明裝置內(nèi)空氣已被排盡。

3.3?實驗步驟

（1）?組裝儀器：?如圖4（a）所示，連接儀器，固定裝置并檢查裝置氣密性。

（2）?配藥品：?將氧化銅與木炭粉以質(zhì)量比13.3∶1均勻混合，研磨3分鐘。稱取0.3g研磨后的混合粉末裝入硬質(zhì)短試管。

（3）?開始實驗：?打開電腦軟件，新建X軸為時間，新建兩個Y軸分別為二氧化碳濃度和一氧化碳濃度。

（4）?分別向a、?b兩部分裝置內(nèi)充入氦氣，當傳感器檢測到氧氣和二氧化碳含量基本降為0時，停止通氣，密封裝置。

（5）?點擊采集數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)。點燃酒精噴燈，先對試管進行預(yù)熱，再集中加熱，實驗持續(xù)到數(shù)據(jù)較為平緩時停止采集，保存實驗數(shù)據(jù)，后期用origin8.0軟件完成作圖。

（6）?清洗試管并干燥，分別將氧化銅與木炭粉以質(zhì)量之比分別為10∶1、?6.7∶1均勻混合，重復(fù)上述實驗步驟。

3.4?實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)處理

初中階段學生學習的物質(zhì)之間的量比關(guān)系以物質(zhì)的量之比最為常見，因此，分析實驗數(shù)據(jù)時應(yīng)將反應(yīng)物的質(zhì)量之比轉(zhuǎn)換為物質(zhì)的量之比。三組實驗均可看到試管中固體受熱有紅熱現(xiàn)象，反應(yīng)后生成紅色顆粒狀固體（如表1所示）。

本實驗分別按照氧化銅與木炭物質(zhì)的量之比為2∶1、?1.5∶1、?1∶1混合后進行實驗，同時用無線一氧化碳傳感器和無線二氧化碳傳感器采集數(shù)據(jù)。為比較反應(yīng)物的量比與產(chǎn)生的兩種氣體的量之間的關(guān)系，筆者將生成二氧化碳的曲線與生成一氧化碳的曲線放在同一坐標系下表征，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)最大值和最小值，將二氧化碳濃度對應(yīng)的縱坐標范圍設(shè)為0～40000ppm，一氧化碳濃度對應(yīng)的縱坐標范圍設(shè)為0～2000ppm。橫坐標根據(jù)曲線平穩(wěn)所需時間，設(shè)為0～325s（見圖7至圖9），并將3組CO含量曲線圖匯總到同一坐標下進行比較（如圖10所示）。

本實驗除記錄兩條曲線基本平穩(wěn)時的各氣體的實際濃度數(shù)值外，同時計算曲線趨于平穩(wěn)時的二氧化碳的濃度與一氧化碳的濃度的比值，多次實驗取平均值（如表2所示）。從曲線變化趨勢、數(shù)值大小、濃度比值三個方面分析，以增強實驗結(jié)果的準確性。

4?結(jié)果分析

氣體傳感器檢測結(jié)果與W形管實驗結(jié)論一致，證明木炭還原氧化銅的氣體產(chǎn)物既有一氧化碳又有二氧化碳。對比三組數(shù)字化實驗的曲線和數(shù)據(jù)分析得出：?（1）木炭和氧化銅反應(yīng)的主要氣體產(chǎn)物是二氧化碳氣體。（2）隨著混合物中氧化銅的配比逐漸增大，產(chǎn)生的二氧化碳氣體的占比持續(xù)增多，產(chǎn)生的一氧化碳氣體含量逐漸減少，但各比例反應(yīng)始終有一氧化碳產(chǎn)生。當反應(yīng)物n（CuO）∶n（C）=2∶1時，產(chǎn)生的一氧化碳濃度幾乎可以忽略不計。因此可以得出木炭與氧化銅在高溫下主要發(fā)生的反應(yīng)為：?C+2CuO高溫2Cu+CO2↑。（3）由圖8、圖9可知，當木炭過量時，二氧化碳的量到達一定峰值后，都出現(xiàn)了下降趨勢，說明可能是過量的木炭與生成的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成了一氧化碳。

5?課堂應(yīng)用

課堂教學中，基于學生提出的“木炭還原氧化銅可能有一氧化碳生成”的問題，教師引導(dǎo)學生用W形管設(shè)

計實驗，讓木炭還原氧化銅生成的氣體繼續(xù)還原氧化銅粉末，觀察到第二處氧化銅粉末也略微變紅證明反應(yīng)確有一氧化碳生成。根據(jù)實驗現(xiàn)象，引導(dǎo)學生進一步思考如何避免生成一氧化碳氣體的反應(yīng)發(fā)生。學生分析后提出設(shè)想：?可以通過增加氧化銅粉末的量來避免一氧化碳生成。學生配平生成一氧化碳、二氧化碳的兩個反應(yīng)的化學方程式，從理論上得出實驗中氧化銅與木炭之比大于等于2∶1時生成的氣體產(chǎn)物為二氧化碳。為驗證假設(shè)，師生結(jié)合氣體傳感器改進實驗方案，收集、分析數(shù)據(jù)，獲得結(jié)論。本課中傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗的結(jié)合突破了學生的思維瓶頸，滿足了不同層次學生的認知需求，不僅有助于學生進一步認識到化學反應(yīng)是復(fù)雜的，同時又是可控的;當反應(yīng)物相同而反應(yīng)物的量不同時，產(chǎn)物也可能不同。

化學實驗是提高學生動手能力與思維能力的關(guān)鍵途徑，傳統(tǒng)實驗在這其中有著不可替代的作用和優(yōu)勢。學生從傳統(tǒng)實驗中能夠初步獲得實驗的基本技能，在不斷積累中，逐步提升實驗分析能力及實驗設(shè)計能力。但對某些教學中的難點問題，傳統(tǒng)的方法有時很難突破[2]，而數(shù)字化實驗利用儀器代替人體感官，客觀精準地記錄并分析實驗數(shù)據(jù)，可以避免因感覺的差異引起實驗現(xiàn)象感知的偏差，突破人體感知的局限性，使化學反應(yīng)的過程實證化、動態(tài)化與定量化[3，4]，但對于學生的數(shù)據(jù)分析處理能力也存在較高的要求。因此在教學中，教師要基于學情，合理選擇實驗內(nèi)容、傳感器功能以及數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，將數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗有機結(jié)合，才能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提高教學效果。

參考文獻：

[1]汪阿戀，?吳新建，?張賢金，?葉燕珠.?木炭還原氧化銅實驗的再探究[J].?化學教學，?2015，?（4）：?66～68.

[2]徐睿.?中學化學數(shù)字化實驗的新趨勢[J].?化學教學，?2020，?（9）：?31～36.

[3]項佳敏，?錢華，?馬宏佳，?陳凱.?信息技術(shù)與化學學科教學深度融合的案例研究——以數(shù)字化實驗為例[J].?化學教學，?2020，?（9）：?21～27.

[4]裴傳友，?馬善恒，?楊芹.?中學化學數(shù)字化實驗的發(fā)展與應(yīng)用[J].?化學教學，?2020，?（2）：?56～60.