碳还原氧化铜的反应是放热反应

碳还原氧化铜的反应是放热反应 碳还原氧化铜的反应是放热反应 广西博白县第三高级中学(537600)王贞洁 碳还原氧化铜是中学化学的重要内容之一.在中 学教科里编排了这一变化的演示实验,该实验内容 是: 把经过烘干的木炭和黑色的氧化铜共同研磨混 匀,小心地放进试管里,并将试管固定在铁架台上.试 管口装有通入澄清石灰水的导管,用酒精灯(可加网 罩以使火焰集中并提高温度)加热试管几分钟后,观 察石灰水发生了什么变化?反应后把试管里的粉末 倒在纸上,粉末发生了什么变化?(实验装置参见下 图) C 清 灰水 实验后,教材初次提出了"吸热现象"和"放热现 象"两个概念,这就使碳还原氧化铜的热效应成为教 师在教学中的需要.而一些教师(特别是年轻教师)断 言这一变化是吸热反应.由于中学教材及相关教学辅 导书中大都没有指明碳还原氧化铜的热效应,因此就 很有必要来讨论一下这个问题. 一 ,碳还原氧化铜的焓变为负值 碳还原氧化铜的实验是在常温常压下于闭口容 器中进行的.可以认为其反应热等于它的焓变AH., 若AH.为正值.表示体系从环境吸收热量,是吸热反 应;若AH.为负值,则表示体系释放热量给环境,反 应是放热反应.而一个化学反应的焓变,可用下面的 公式进行计算. AH.一?(Att?)产物一?(AH9)反应物 碳与氧化铜在加热条件下,可能发生两种化学变 化: (1)CuO(s)+C(s)一Cu(s)+C0(g) (2)2CuO(s)+C(s)一2CLl(S)+CO2rg) 查表知,在298K时, ?H?(CuO,s)一一157.3kJ?tool一 ?H?(CO,g)一一1l0kJ?tool ?H}(C02,g)一-393.5kJ?tool 而本实验中的碳是取用木炭,木炭为石墨晶体结 构,它与铜一样,都是稳定的单质,AH}都是 实验研究? 0kJ?mo1一. 若碳还原氧化铜反应后的最终气体产物是CO, 则?H.的值为: AH.一{AH}(CO,g)+AH?(Cu,S)}一 {?H?(CuO,s)+?H}(C,s)}一{一1l0kJ?tool斗 0kJ?tool}一{一157.3kJ?tool+0kJ.tool,} =47.3kJ?tool_., AH.为正值,该反应是吸热反应.反应过程必须 不断地由环境补充热量. 但是,若碳还原氧化铜反应的最终气体产物是 cQ时,通过上述公式算出?H0一一78.9kJ?mol一. 在进行实验操作时,并不需要强热就能顺利地进行.当 碳与氧化铜混合物温度升高到有C0产生时,o0在该 温度下与CuO的反应就容易而且快多了.实验事实也 证明,碳与氧化铜反应的主要产物不是00,而是(). 把反应产生的气体通人澄清的石灰水中,石灰水变浑 浊,说明产物中有c02气体.若用试管收集满所产生 的气体,小心地倒扣在盛有NaOH溶液的水槽中,试 管内液面会迅速上升,液面高度约占试管的五分之 四.这说明产物气体中绝大部分被NaOH溶液吸收, ,能够客观地反映 也就是说其主要产物是C()2.因此 碳与氧化铜反应的总变化是:2CuO(s)+C(S)一 2Cu(s)+CO2(g),其反应焓变计算结果是:AH.一 一 78.9kJ?tool,.这表明,在289K时每2toolCuO 与1toolC转变成2toolCLl和1toolCO2后,体系需 要向环境释放78.9kJ的热量,故碳还原氧化铜的反 应是放热反应. 二,碳还原氧化铜需要较高的温度条件 有人提出疑问,既然是一个放热反应,为什么长 时间加热,反应现象仍不明显?的确,按教材上的实 验,将反应物混合长时间加热后,只能以澄清石 灰水变浑浊来证实反应已经开始,产物气体有CO2 生成,而在黑色的反应混合物里有一些红色粉末,就 认定生成了铜(其实经常是含有一部分氧化亚铜).整 个反应过程没有明显的放热现象,因此一些教师认定 是吸热反应也就在所难免了,当然这是不正确的. 实际上,一个化学反应能否自发地进行,其剧烈 程度怎样,是由多种因素决定的,不能简单地从放热 反应得出结论.?Ho是状态函数,是由体系的始态和 终态决定的,与过程无关.当体系没有达到开始反应 所需要的温度时,或者反应开始后体系损失的热量大 于反应放出的热量,都不能使化学反应自发地进行. 我们知道,物质发生化学变化的过程,是原子重 93 ?实验研究 新组合的过程.必须破坏反应物内的化学键,形成新 的物质,要克服旧键断裂的引力和新键形成的斥力, 相互作用的微粒必须具有足够大的能量,也就是说, 存在着一个对化学反应速度影响极大的活化能问题. 碳还原氧化铜的反应物晶体中,都存在着较强的化学 键,如反应中的碳,实质上有着石墨的晶体结构,其熔 点高达3300K以上,而氧化铜也非常稳定,若没有其 他因素存在,仅凭加热破坏氧化铜的化学键,那只有 在超过1273K时,氧化铜才有可能释放出氧,变成氧 化亚铜.由于这两种反应物结构稳定,使碳还原氧化 铜的变化具有高的活化能.加之,这个反应是固体间 的反应,变化只能在其表面上进行,这更增加了反应 的困难程度.不过,在经过研磨碳粉和氧化铜的晶体 表面后,使大量原子的化学键不饱和,具有很高的化 学活性.所以在加热过程中,尽管整个反应体系不能 观察到激烈的反应现象,但仍有一些反应物发生变 化,如在黑色的粉末里有一些红色物质,并能观察到 澄清石灰水变浑浊,说明是有C02和铜单质生成. 三,碳还原氧化铜反应放出热量的事实 近年来,不少中学化学教学辅导材料对碳还原氧 化铜产生的现象进行了描述和补充.笔者在实验教学 中,对这实验进行了多次实践与研究,结论是,控制好 实验条件,能使碳和氧化铜的反应剧烈地发生,能比 较明显地观察到以下两个现象: 1.对木炭和氧化铜的混合物加热一定时间后(短 的3分种,长的要lO分钟左右),部分反应物开始燃 烧.此时移走酒精灯,燃烧仍会继续,几秒钟后燃烧完 全,反应停止.燃烧本身就是发光发热的现象,燃烧开 始后,停止加热而燃烧继续,则证明了反应放出的热 量,足以使还未反应的混合粉末的温度升高到燃烧所 需要的温度,促使反应完全. 2.将碳和氧化铜反应生成的固体产物在封闭状 态下冷却后取出观察,发现各次实验所得到的固体产 物的形态各不相同,可以分为三种情况:?紫红色铜 片,锕片有部分光亮的表面,性硬,挤压不烂;?紫红 色铜珠,坚硬光亮,在一次实验中可同时得到几粒至 十几粒;?整个反应混合物烧结成一整块,颜色为红 色到暗红,光泽不好,加压易碎,但不能压成粉状. 本实验取用的木炭和氧化铜,均被研磨成了极细 的粉末,反应后变成了铜块或铜珠,说明该反应生成 的铜起码有一部分经过了熔融过程.这个过程绝对不 可能用酒精灯的火焰温度来加热实现的,而只有可能 是反应本身放出了较多的热量,而且这热量又被产物 铜有效地吸收.这有力的说明了碳还原氧化铜有放热 现象,属于放热反应. 综上所述,控制实验条件,进行成功的实验,使学 生清晰地观察到有金属光泽的铜片或铜珠的生成,从 94 而对反应的产物有更科学的印象,认识到碳还原氧化 铜放出热量的事实. 四,碳还原氧化铜剧烈进行的控制条件. 使碳还原氧化铜能够剧烈的进行,应当创造和具 备如下的基本条件: 1.反应物的取量.若碳和氧化铜均能完全反应, 则加热时提供的热量及反应中产生的热量的利用率 最高,剧烈反应的可能性最大.按理论计算,碳与氧化 铜的质量比为l:13.3时,两反应物刚好完全反应. 但是,由于下面两个因素,碳应适当过量:?实验中取 用的是木炭,其中含有盐和某些金属氧化物杂质;? 要使氧化铜中的铜被充分的还原出来,碳也需要稍微 过量.实践经验的比值是l:10.5左右,反应效果较 好.并且要注意,木炭在称量之前,应该进行烘干,除 去吸附的水分,这样既可以减少取量的误差,也有利 于反应的发生. 2.反应物的研磨和混匀.碳还原氧化铜,是固体 物质间的反应,因此,总的表面积大小,固体物质间的 均匀程度,是影响反应速度的重要因素.固体物质磨 得越细,总的表面积越大,活化分子间的碰撞机会越多, 反应物之间的分子有效碰撞的几率越大,反应越快. 本实验中,应将适量的木炭和氧化铜粉末放入研 钵内,进行充分的研磨和搅和,使其在研磨和搅和过 程中得到充分的混匀.实践证明,若认真地作了这道 操作工序,即便是使用普通酒精灯加热混合物,也能 明显地观察到燃烧的现象.否则只有用酒精喷灯进行 强热,才能使反应进行得比较完全. 另外,研细,混匀的作用,不仅能使反应迅速地发 生,剧烈地进行.还可以使生成的"铜"成为很细小的 颗粒.这些细小颗粒的熔化温度比较低,加上实验过 程反应速度快,放出的热量散失少,能更有效地被生 成物吸收,使铜熔化(凝成小铜珠)成为可能. 3.酒精灯火焰旺盛稳定.在反应过程中,应使整 个反应混合物处在酒精灯火焰的包围中,比较均匀而 快速地获得热量,使反应物的温度得到比较一致地升 高.当反应在一个点发生时,就能较快蔓延开,使反应 进程缩短.反应体系的温度迅速升高,导致反应剧烈, 产生燃烧,产物铜也就在剧烈反应的高温中被烧熔而 凝成铜块或铜珠. 参考文献 1.北京师范大学无机化学教研室等编《无机化 学》.(高等教育出版社1988) 2.天津大学物理化学教研室编《物理化学》.(高 等教育出版社1985) 3.陈耀亭,王继慧,王佐平等编《基础化学实验大 全?》.(科学普及出版社1988)