碳还原氧化铜实验探究讲授提要

碳还原氧化铜实验探究讲授提要 木碳还原氧化铜实验条件优化讲授提要 第一部分 木碳还原氧化铜实验基本理论 一、现行实验及存在的问题 1.现行实验方法:(初中化学教材人教2012版p110)把刚烘干的木炭粉末和氧化铜粉末混合均匀，小心地铺放进试管，并将试管固定在铁架台上。试管口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，最好使用酒精喷灯)加热混合物几分钟。然后先撤出导气管，待试管冷却后再把试管里的粉末倒在纸上。观察现象并分析。装置图如下: 2.实验现象 该实验成功的现象有三个方面:(1)反应有着剧烈的“红热现象”;(2)有光亮的紫红色块状或颗粒状固体生成; (3)澄清石灰水变浑浊。三现象缺一不可，(1)证明了反应是一个放热反应，也是实验成功的首要标志，(2)和(3)分别证明了Cu和CO的生成。张翼, 黎国兰.碳2 还原氧化铜实验条件优化探究[J].绵阳师范学院学报,2008,27(8):58-61 3.实验存在的问题: “木炭还原氧化铜”实验是初中教材中的难点,也是所有演示实验中成功率最低的一个。在实际的教学中主要存在如下六个方面的问题。苏秀芳. 对炭还原氧化铜实验的探讨[J]. 南宁师范高等专科学校学报.2002,19(3):79-80 (1)难以看到“红热现象”; (2)常常产生砖红色固体，而非光亮的紫红色块状或颗粒状固体; (3)反应产物中夹杂黑色物质; (4)一些中学无酒精喷灯，用酒精喷灯加热时，试管易变形，费时，噪音大; (5)石灰水易倒吸，使试管破裂; (6)生成物中CO的随意排放可能带来健康危害。 其中(1)和(2)两个问题是实验最难于解决的问题。 specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code 二、反应原理及过程 1.反应原理 文献报道的反应原理: C+2CuO=CuO+CO……………… ..(1) 2 CO+CuO=2Cu+CO ………………(2) 22 总反应方程式: C+2CuO=2Cu+CO ………………..(3) 2 可能的副反应有:C+O=CO 2C+O=2CO 222CuO+CO=Cu+COC+CO=2CO 2CO+O=2CO2 222 老师新的研究结果: “红热”前(小于1026?)反应机理: C+2CuO=CuO+CO……………… ..(1) ?rH0m(298K)=35.475KJ 2 CO+CuO=2Cu+CO ………………(2) ?rH0m(298K)=-114.384KJ 22 CO+CuO=Cu+CO …………………(3) ?rH0m(298K)=-125.681KJ 2 重要的副反应: 含碳有机物，热解生成CO、CO、H等。 22“红热”过程(大于1026?)反应机理: 2CuO=CuO+1/2O……………… ..(4) ?rH0m(298K)=146.000KJ 22 2C+O=2CO……………………….(5) ?rH0m(298K)=-221.050KJ 2 CO+CuO=2Cu+CO ………………(6) 22 CO+CuO=Cu+CO …………………(7) 2 2.反应过程: 从和课题组研究结果归纳，以氧化铜分解温度1026?为分界点，可将木碳还 原氧化铜的实验归纳为二个阶段。 阶段 反应体系温度 主要反应 实验现象 特点 C+2CuO=CuO+CO 2第一速率慢，转化率小、维持无“红热”、暗红色粉1026?以下 CO+CuO=2Cu+CO 22阶段 末、少量气体 时间约1~2min左右 CO+CuO=Cu+CO 2 2CuO=CuO+1/2O “红热”、网状铜、大221026?~1083.4? 第二量气体 速率快，转化率大，维持2C+O=2CO 2 阶段 时间共约数秒 CO+CuO=2Cu+CO “红热”、铜珠、大量22大于1083.4? 气体 CO+CuO=Cu+CO 2specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code 在第一阶段，加热下C与CuO在吸收热能后发生反应生成CuO和CO，CO再与CuO22生成Cu和CO，并放出热量，使反应体系温度进一步升高，许多不成功的实验往往停留在2 第一阶段。实验是否成功主要由这一阶段的温度提升情况决定。若反应量大，反应速率大，提供的热能大，散热少，温度容易提高到1026?而进入第二阶段。因此提高反应量，有效提供热能及减小散热是实验改进的基本思路。 在第二阶段，CuO获得能量在1026?分解为CuO和O，此时，C与O发生不完全燃222烧生成CO，红热过程实质是C的不完全燃烧过程，然后CO还原CuO为Cu，反应产生的2 大量热量进一步提升温度，如果温度处在铜熔点1083.4?以下。“红热”后得到的是网状铜，如果体系温度高于1083.4?，得到铜珠。铜珠的出现，是由于面张力的作用致使液态Cu冷却后成比表面最小的球状。 三、红热前反应的热力学分析 在不同温度下的热力学函数数值 000温度?rH?rG?rSmmm 方程式 -1-1-1(K) (KJ•mol) (KJ•mol) (KJ•mol) 298 33.1900 -25.1690 200.7030 C+2CuO=CuO+CO 2 1000 25.1674 -163.6691 188.8365 298 -116.3040 -114.8150 -11.5580 CO+CuO=2Cu+CO 22 1000 -119.0595 -101.3980 -17.6615 298 -83.1140 -139.9840 189.1450 C+2CuO=2Cu+CO 2 1000 -93.8921 -256.0671 171.1750 0木碳还原氧化铜是分为两步进行的。(1) 式和(2) 式在298K、1000K的?rG 均小于m 0零，两个反应都有自发进行的趋势。?rH表明，(1) 式为吸热反应，(2) 式为放热反应，m 总反应为放热反应。升高温度有利于(1) 式反应的进行。对于C还原CuO实验，关键是要引发(1) ，即需要较高的温度使反应物升温迅速达到(1)的活化温度。(2) 式反应放出的热量进一步提升体系温度，进一步加速了(1) 式和(2) 式反应。 相关物质物理化学参数 相对分溶解性熔点密度 名称 分子式 颜色、状态 3子质量 (g) (?) (g/cm) specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code 黑色至棕黑色无1026分 氧化铜 不溶 CuO 79.55 6.315 定形或结晶粉末 解 黑灰色无定形粉3000以 石墨 不溶 C 12.0 1.9~2.3 末 上 深褐色或黑色多 木炭 不溶 1.3,1.4 C 12.0 孔固体 7.8 碳酸氢钠 白色细小晶体 NaHCO 84.01 270 2.159 3(18?) 草绿色的单斜系 碱式碳酸结晶纤维状的团220?时 不溶于水 Cu(OH)CO 221.12 3.85 223铜 状物，或深绿色的分解 粉状物 紫红色光泽的金 铜 不溶 Cu 63.55 1083.4 8.92 属 氧化亚铜 红色结晶性粉末 不溶 CuO 143.09 1235 6.0 2 二氧化碳 无色无味气体 可溶 CO 44 -56.6 1.98 g/L 2 无色无味的有毒气 一氧化碳 体，空气中爆炸极难溶 CO 28.01 -207 1.250 g/L 限12.5%,74% 木炭灰分含量在 6%以内，孔隙占木炭体积7%以上。 CuO:熔点1326?，不溶于水。溶于稀酸，氰化钾与碳酸铵溶液，缓慢溶于氨水。在1026?以上分解为氧化亚铜与氧气，加热时易被氢、碳、一氧化碳、氨等还原为铜。可用作制玻璃或瓷器的着色剂(蓝色或绿色)、有机合成的催化剂、油类的脱硫剂，还用于气体分析。由碳酸铜或硝酸铜受热分解制得。 四、动力学分析——影响反应速率的主要因素及可采取的措施 思考几个问题:1.为什么有的实验结果是光亮的铜珠?而有的是网状Cu?2.为什么有的实验无法产生“红热”现象，而有的甚至采用酒精喷灯也无“红热”现象,3.砖红色产生的原因是什么,4.最好结果的实验现象是什么,5.本实验为什么会产生“红热”现象, specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code 1.反应体系的温度 反应体系的温度越高，反应越容易进行，温度是决定实验成功的决定性因素。对于固-固反应，通常具有很高的活化能，升高温度不仅能提供反应所需活化能，同时可提高固相质点的传质速率，从而加速反应。 实验室常用的加热器中，酒精灯加热温度可达400-500?(外焰温度可达610?);加防风罩酒精灯，加热温度可达500-600?(外焰温度可达700?);酒精喷灯加热温度可达700-900?。如果仅靠这些加热器提供的热能，是无法达到产生红热现象的1026?的，实验的成功是要依靠反应(2)提供的反应热来提升温度。 提高反应温度可采取如下措施: (1)选用适宜的加热器。验室常用的加热器有由于酒精喷灯的一些弊端，选择防风罩酒精灯最为适宜。 (2)增粗灯芯及适度增长灯芯外露部分，增大灯焰[贾玉江，贾华娜.木炭还原氧化铜实验教学研究[J].中学化学教学参考，2005，(1，2):64] (3)选择适宜的固体总量。 温度能否达到1026?而出现“红热”现象，取决于三个方面:供热升温速率、散热降温速率及反应放热升温速率。只有供热升温速率与反应放热升温速率之和大于散热降温速率，升温才能有效进行。 固体总量越多，供热升温速率越低，因此，引发红热时间随固体总量的增加而延长，当固体总量过高时，堆积体上下温差越大，容易出现局部“红热”现象，甚至不能发生“红热”现象。固体总量过低时，反应放热少，而升温对象不仅仅是反应物，还包括试管及管内空气，使温度不能达到1026?，无“红热”现象。 固体总量过高或过低，实验都看不到“红热”现象，固体总量在1.0~2.6g范围内都能看到“红热”现象，1.3g左右时，实验时间短且现象佳。 反应物总量对实验的影响 松木炭研磨5min，110?干2h，m(CuO)/m(C)=10.5，混合研磨5.5min 混合物质量/g 0.3285 0.6570 1.0512 1.3140 1.5768 1.9710 2.6280 5.2560 引发红热时间 无红热 无红热 1'15" 1'16" 1'45" 1'53" 2'19" 无红热 红热时间 9" 5" 7" 6" 7" 大量黑粉末大量黑粉末紫红色光紫红色光紫红色光大铜珠夹大量黑产物性状 夹少量暗红夹少量暗红网状铜 亮小铜珠 亮大铜珠 亮大铜珠 黑色粉末 色粉末 色 色 specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code 温度相对高低 + ++ ++++ +++++ +++++ ++++ +++ ++ (4)固体平铺厚度均匀，并全部落在火焰范围，有利均匀升温。 (5)平铺固体用玻棒压实，有利传热。 (6)试剂烘干，减少水分及炭表面的吸附气体，有利于加快体系升温。 2(碳的来源或种类 在研究报告中出现的炭的种类繁多，大体包括活性炭，试剂碳粉，石墨碳，市售木炭，及自制木炭。其中，市售木炭又包括不同木材制得的木炭，如栗木炭、椰壳碳、杉木碳、松树碳、青杠树碳等。自制木炭包括火柴杆或一次性筷子干馏制得的炭，土豆或白薯烧制的炭，蔗糖或葡萄糖被浓硫酸脱水制得的碳等。研究报告普遍认为新鲜市售木炭、一些自制木炭具有更好的实验效果。 大多数种类的炭，是通过有机物的干馏所获得，由于干馏有机物种类、干馏温度、干馏时间的不同，炭放置场地及放置时间的不同，炭的性质是差异很大的，其中也包括影响本实验的炭的组成、硬度、晶体缺陷及新鲜度等。 (1) 炭的组成 炭由全水分、固定碳、挥发分、灰分组成。灰分是多种金属氧化物和机盐，对于木炭来说，灰分通常不大于6%。挥发分是CO、CO2、H2、CH4及其它不凝性气体产物，来自于炭中未炭化有机物(脂肪族碳链及连接在类石墨微晶边缘上的含氧官能团和氢)的热解。挥发分的测定是将炭放在高温炉中隔绝空气加热到850?(可理解为炭的再次干馏)测定，炭还原氧化铜实验加热过程与挥发分测定的加热过程类似，因此，炭还原氧化铜实验中会产生上述气体，其中的CO、H2对CuO的还原可能起一定的作用。 木材干馏产生木煤气，木煤气占干木材质量的16~18%，其中CO2:40~50%，CO:25~35%，CH4:1~5%，H2:0.5~2.5%。 固定碳是炭中固有单质碳与再次干馏后生成的单质碳及少量氢、氧元素之总和，炭还原还原氧化铜实验中起主要作用的是固定碳，按照“木炭和木炭试验方法”(GB/T17664-1999)，合格的木炭其固定碳?65%， 不同来源炭的组成 木炭名称 灰烬性状 全水分/% 固定碳/% 挥发分/% 灰分/% 柑子树木炭 灰白色网状 4.09 67.77 26.82 5.41 柏树木炭 灰色颗粒 5.27 74.07 23.58 2.35 桉树木炭 灰白色海绵状 4.73 76.57 21.14 2.29 specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code 白杨树木炭 白色网状 4.67 77.46 18.77 3.77 活性炭 灰白色颗粒物 6.22 80.78 7.39 11.83 松树木炭 灰白色海绵状 6.09 81.04 17.42 1.54 青冈木炭 灰色颗粒 5.10 81.74 16.53 1.73 机制炭 卡其色粉末 5.16 83.77 10.67 5.56 试剂石墨炭粉 灰色粉末 0.62 95.26 4.39 0.35 表2可见，不同来源的炭其组成差异很大。理论上讲，固定碳含量越高，对实验越有利。灰分含量越高，阻隔作用使单质碳与氧化铜之间的接触面越低，反应速率越低，同时，灰分的升温过程会消耗一定的热能，降低了热量利用率，不利于反应温度的提升。因此，在木炭还原氧化铜中应选择灰分含量低的炭。 (2) 炭的硬度、晶体缺陷浓度 炭的硬度越大，研细炭越困难，碳和氧化铜之间的接触面越低，越不利于固相反应。木炭的硬度无法轻易改变，在实验中应选择硬度小的木炭。 实际晶体都存在晶体缺陷，晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷及体缺陷。不同来源的固体材料其晶体缺陷浓度不同，晶体缺陷浓度通常随温度的提高而增大。晶体缺陷浓度越大，材料研磨后的粒度越小。 即便炭研磨很细，颗粒表面质点占固体总质点的比例也极小。如果没有固相内部质点和外部其它质点的相互传质迁移，固体反应是难以有效发生的，固体反应不仅仅发生在固相接触的表面。晶体缺陷为质点的内外部传质迁移提供了可能，晶体缺陷浓度越高，质点传质扩 散速率越大，固体反应速率越大。 晶体缺陷浓度是材料的固有属性，通常，具有疏松多孔结构的固体，有较高的晶体缺陷浓度，因此，应选择具有疏松多孔结构、轻质木炭为宜。 炭研磨后的粒度大小是由炭硬度、晶体缺陷浓度及解理性综合决定。石墨炭粉颗粒本身极细就主要是由于其具有很好解理性。 炭研磨后的粒度越小，C与CuO的接触面越大，越有利于固相反应的发生。表5表明，经过5min研磨的木炭，70%以上的颗粒大于200目，其中机制炭、青冈木炭、活性炭大于200目颗粒较少。这一结果与研磨过程中的手感一致。 不同来源木炭研磨后粒度差异 ,200100-20060-100,60质量分数 目/% 目/% 目/% 目/% 松树木炭 85.9 7.0 5.0 2.1 specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code 桉树木炭 82.4 8.3 6.0 3.3 白杨树木炭 87.2 9.5 1.0 2.4 柏树木炭 85.4 8.2 2.9 3.4 柑子树木炭 82.3 11.5 3.7 2.5 机制炭 73.5 14.7 3.9 7.9 青冈木炭 69.9 18.9 6.3 4.9 活性炭 75.1 14.0 5.2 5.8 研磨时间越长，颗粒越小。研磨时间以10min为宜，其后的研磨对颗粒的减小贡献不大。 研磨时间对粒度的影响 松木炭 研磨时,200,60100-20060-100 目/% 目/% 间t/min 目/% 目/% 3 49.3 6.6 8.7 35.4 5 64.0 7.5 7.7 20.8 8 75.7 11.2 7.1 6.0 10 85.9 7.0 5.0 2.1 15 87.9 7.3 3.3 1.5 20 90.0 6.6 2.7 0.7 (3) 炭的含水率及新鲜度对实验的影响 木炭含水率通常在6%以下，在m(CuO)/m(C)一定的情况下，实验发现炭是否炭烘干几乎无影响，即便在烘干、研磨、混匀的炭与氧化铜混合物中加水至含水率达22%，实验依然成功，只是引发“红热”的时间延迟1~2 S。但是木炭中过多水分会影响研磨效果，因此，研磨前应将木炭烘干。 长期存放的炭，表面会吸附空气中的气体，理论上表面杂质的存在会阻碍碳与氧化铜的有效接触，但表面杂质质点的量相对与碳的质点来说微不足道，且加热过程中杂质质点挥发逸散，理论和实验都表明，炭的新鲜度对实验的影响不大。这一分析被实验所证实。 在一些教学演示实验中，无论怎么改变反应物的配比及提高反应温度(甚至使用酒精喷灯加热，试管已灼烧变形)也看不到红热现象。其原因主要是炭种类选择不当。而在相同条件下，改变炭的种类，实验却非常容易成功，因此，炭的种类是影响实验的关键因素之一。 specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code 不同来源炭之间的比较 m(木炭)=0.114 g，m(CuO)=1.200 g，t(混合研磨)= 5.0 min 炭的种类 柏树木炭 白杨树木炭 桉树木炭 松木炭 柑子树木炭 青冈木炭 红热前时间/s 1'17" 1'34" 1'17" 1'16" 1'36" 1'43" 红热时间/s 4 7 5 5 8 9 红热前出水体积/mL 36 22 28 27 36 38 反应后出水总体积/mL 172 172 161 174 165 167 红热前出水体积/反应 20.9% 12.8% 17.4% 15.5% 21.8% 22.8% 后出水总体积 CuO的转换率/% 98.3 98.3 92.01 99.43 94.27 95.41 颗粒铜夹黑紫红色光亮铜紫红色光亮铜紫红色网状 产物性状 紫红色铜珠 紫红色网状铜 色粉末 珠(小) 珠(大) 铜 实验中以排出水的体积近似代表气体产生量，则“红热”前出水体积与反应后出水总体积的比值(表1)反映了“红热”前反应物转化的程度，该值随炭的种类不同而有所差别，范围在12.8%~22.8%(平均值为18.5%)，“红热”前加热用时1'17"~1'43"(平均值为1'27")，而维持红热的时间为4"~9"(平均值为6.3")。这意味着“红热”前反应物转化程度低，且用时长，反应物的转化主要发生在红热期间，平均有81.5%的反应物是在该期间实现转化，且用时短。依据这些数据粗略计算可知，“红热”期间的平均反应速率大约是“红热”前平均反应速率的61[(81.5%/6.3")/(18.5%/87")=61]倍。 表中木炭都能实现红热现象，其中青冈木炭成功率相对较低，而石墨、机制炭、活性炭无法看到红热现象。 结论:应选择密度小、硬度小、具有疏松多孔结构的木炭。 3(氧化铜的来源 在研究报告中，氧化铜的来源主要有两类，一是试剂氧化铜粉末(分析纯或化学纯)，二是通过碱式碳酸铜或硫酸铜或硝酸铜加热分解自制氧化铜。 理论上，氧化铜的含量越高，粒度越小，晶体缺陷浓度越大，越有利于实验的进行。 不同来源的氧化铜的含量差异不大，含量都很高，因此，氧化铜来源差异对实验的影响主要通过粒度差异和晶体缺陷浓度差异所导致。 从已有的研究报告看，氧化铜的来源差异对实验效果的影响并非特别显著。因此，氧化铜的来源不是影响实验的关键因素。 specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code 4.氧化铜与炭的比例 理论上，氧化铜与碳反应的理论质量比m(CuO)/m(C)为13.3。由于炭中杂质的存在及多个副反应的发生需要消耗一定的碳，实际的m(CuO)/m(C)总是小于13.3。从大量研究报告看，m(CuO)/m(C)在很宽泛的范围内(13.3-4.0)都能实现红热现象叶久德.碳还原氧化铜的实验研究[J].实验教学与仪器，2013，(4):34-35，因此，氧化铜与炭的比例不是影响实验的关键因素。 在研究报告中，m(CuO)/m(C)的最佳值大多出现在10~12之间，又以11.5左右出现的频率最高。在最佳值，通常的现象是产生铜珠或网状铜，无黑色物质。高于最佳值，往往出现红色粉末，这是CuO相对过量，产生更多CuO有关。而低于最佳值的附近，往往出现颗2 粒铜和夹杂少量黑色粉末，偏离最价值越远，颗粒铜越少，黑色粉末越多，甚至不能发生红热现象。黑色粉末显然是碳过量所导致。 CuO与C的混合比例对产物性状的影响 松木炭，m(CuO)=1.200 g，t(混合研磨)= 5.0 min m(CuO)红热前红热红热前出水反应后出水产物中CuOCuO产22产物性状 /m(炭) 时间 时间 体积(mL) 总体积(mL) 质量(g) 率/% 小铜珠夹大量黑色粉末 9.0 1'36" 8" 41 189 0.0463 4.29 10.0 1'11" 6" 42 186 大铜珠夹少量黑色粉末 0.0586 5.43 10.5 1'15" 5" 50 188 紫红色光亮大铜珠 0.0645 5.97 11.0 1'21" 6" 43 187 紫红色光亮小铜珠 0.1231 11.40 11.5 1'17" 6" 38 185 紫红色光亮小铜珠 0.1769 16.38 12.0 1'11" 7" 38 178 网状铜夹少量暗红色粉末 0.2145 19.86 13.0 1'31" 9" 38 155 网状铜夹大量暗红色粉末 0.2424 22.44 网状铜夹大量暗红色粉末 14.0 1'20" 8" 31 141 0.2678 24.80 15.0 1'13" 27" 35 75 暗红色粉末 0.2870 26.57 木炭还原氧化铜最佳的产物性状应该是出现紫红色光亮铜珠(网状铜也可接受)，且无黑色和暗红色杂质。表可知，随着m(CuO)/m(C)比值的增加，还原产物铜从大铜珠变为小铜珠，再变为网状铜;比值小于10.5时，黑色粉末随比值增大而减少;暗红色粉末是在比值大于11.5后出现，随比值增大而增多。这一现象在其它研究报告及本课题组用桉树木炭的研究结果中同样出现，因此，这是一个没有被其它研究者所认识到的共同规律。 最佳性状对应的比值前出现的黑色粉末是由于木炭过量所导致，且过量越多，产物中黑色粉末越多;暗红色粉末应当是CuO与过量CuO的混合物，且CuO过量越多，产物中2 暗红色粉末越多。 为什么产物中Cu的状态既有铜珠和网状铜之分,铜珠还有大小之分,这其实都和反应“红热”后混合物的温度高低有关。如果“红热”后混合物温度不高(温度处于1026?~1083.4?或略高于1083.4?)，还原产物Cu不能熔融或熔融量很少，Cu不能流动而specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code 固定于原来位置，得到的就是网状铜。如果“红热”后混合物温度高于1083.4?，且熔融量相对较多，液态铜流动聚集，后冷却凝结变形成铜珠，且温度越高，熔融铜越多，形成的铜珠越大。因此，Cu的状态代表了“红热”后混合物的温度高低，出现大铜珠时“红热”达到的温度最高，其次是小铜珠，温度最低的是出现网状铜。 C与CuO的混合比例会影响“红热”后混合物的温度。当CuO不过量时，“红热”时C的不完全燃烧产生的热量及CO还原CuO、CuO产生的热量，可使混合物升温并导致单质Cu2 熔融。但CuO过量时，一部分热量用于过量CuO的热分解，降低了混合物的升温高度及Cu的熔融量，且CuO过量越多，这种影响越大。因此，C与CuO的混合物中，CuO的比例越高，“红热”后混合物的温度越低，导致产物铜出现大铜珠、小铜珠及网状铜的差异。 表可知，产物中CuO质量随着CuO含量的增加而增加。这是由于过量CuO分解所得，2 且由于木炭的不足，不能产生更多的CO以还原CuO所致。 2 产物性状与m(CuO)/m(C)比值之间存在的规律对中学教师完成木炭还原氧化铜实验具有指导作用。预备实验中，当出现铜珠且有黑色粉末，说明木炭过量，应降低木炭用量，当出现网状铜且有暗红色粉末，说明CuO过量，应降低CuO用量，直到仅出现紫红色光亮铜珠(或网状铜)。 由于各中学炭的来源是不同的，氧化铜与炭的比例不能简单依据文献报道，文献报道的数据仅能作为参考，氧化铜与炭的比例只能通过实验探究确定。 需要说明的是，如果在探究中，在控制好其它实验条件的基础上，10~12的比例都不能做出好的实验效果，表明这样的炭不能作为反应物，应该放弃，重新选择碳的来源。 5.炭与氧化铜接触面积 在反应体系温度未达到1026?之前，炭与氧化铜之间的固-固反应的反应热是体系温度上升的重要且必须的能量来源。接触面积越大，反应速率越高。固相颗粒越小，混匀程度越高，固相接触面积越大。 在实验室，传统方法是采用研磨以减小颗粒粒度及实现两相的混匀。接触面积的大小可简单通过研磨时间来表征，研磨时间越长，固相接触面积越大。 有研究报告表明，研磨后的炭与氧化铜颗粒应该达到180目以上才有好的实验效果，40目以下甚至不能看到实验现象。 研磨时间理论上越长越好，研磨时间以5min~10min为宜。研磨时间可通过实验探究确定。 林穗云.木炭还原氧化铜实验方案的探讨[J].嘉应大学学报(自然科学)，2002，20(3):27-28 specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code 第二部分 探究设计思路 一、探究目的 1.加深对碳还原氧化铜实验原理、影响因素的理解; 2.进一步学会利用简单比较法进行实验探究; 3.提高分析问题，解决实际问题的能力。 二、探究 1.炭与试剂氧化铜最佳比例的探究。 三、设计思路 1.选择并固定需探究的条件以外的其他条件(不是随意确定): 温度控制:选用防风罩酒精灯为加热器;固体总量1.0~2.0g;试管竖直加热，固体全部落在火焰范围;固体用玻棒压实;试剂烘干。 炭与氧化铜接触面积控制:研磨5~10min。 晶体缺陷浓度:材料已经固定，无选择。 2.证据的获得(判断依据):定性和定量相结合，以定量为主要依据。并依据此设计 3.固定CuO的量，改变C的量;并依据上述设计装置图。 4.CuO的量的确定:依据选用的仪器情况，误差要求等综合考虑，以定量反应关系为基础，以文献资料为辅助加以确定。 5. C:CuO比例值及范围的设计原则:以定量关系和理论推测为依据，文献资料为辅助。 6.各比例的实验顺序:以估计最佳比例为中心，向两边扩展，跳档实验加插入，减少探究次数。 7.实验效果好坏的判断是依据产气量、固体产物性状(以光亮铜珠为最佳，无黑色物质)、实验时间综合判断。 注意:1.选用小试管;2.体系中的空气量要少;3.空白实验。 第三部分 实验设计方案 一、仪器与药品 仪器:试管(15×150mm)3支、铁架台1个、防风罩酒精灯1个、量筒(200ml)一个、不同规格橡皮塞各1个、打孔器1套、集气瓶或烧瓶(200ml)1个、玻璃管100cm、锉刀1把、橡皮导管50cm、剪刀1把、研钵1或2个、玻璃棒1支、烧杯200ml一个、蒸发皿1个、量筒(10ml)2个。 specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code 药品:氧化铜(分析纯、化学纯也可)、木炭、NaHCO(化学纯)、澄清石灰水。 3 200ml饱和NaHCO溶液的初配:称取15.6g NaHCO于200ml烧杯中，加入蒸馏水至33 刻度，搅拌溶解。 澄清石灰水:称取0.16-0.3g Ca(OH)于200ml烧杯中，加入100ml蒸馏水，搅拌，静2 置。 二、实验装置图 图中改试管为竖直加热 三、实验步骤 1.木炭在研钵中初步研磨，将初磨木炭及试剂氧化铜在120?烘干1小时(由教师完成)。 2.调节防风罩酒精灯灯芯，使酒精灯燃烧状态最佳，了解外焰在试管上接触的范围。 3.按装置图装配仪器。 4.检查气密性。 5.按下表最后数据，称取研磨后的炭与氧化铜混合物，装入试管底部，根据酒精灯外焰范围，确定平铺范围，并用玻璃棒使铺层厚度均匀，压实。 6.预热后集中加热固体，并开始加热时间，直至量筒内液面基本恒定，观察过程中实验现象，记录量筒内液体体积。 7.撤出导气管，待试管冷却后再把试管里的粉末倒在纸上。观察现象。并记录于下表。 8.空白实验:称取1.000g研磨后的CuO，不加木炭，加热时间为最价比例实验所对应时间，测定量筒内液体体积。 9.利用上表定性和定量数据，分析炭与氧化铜的最价比例。 注:?1.200gCuO最大理论产气量为169ml(标准状态); specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code ?上表中各比例所对应实验不一定全部做完，应首先做1:11或1:10的实验(大量研究表明，木炭和CuO的最佳比例应该在这个数据左右)，然后向左右延伸，只要能判断最佳，实验就可停止，如果最佳落在1:11或1:10左右，又想获得更为准确的比例，可插入1:10.5。 表 木炭与氧化铜最佳比例探究实验记录表 m:m 1:7 1:8 1:9 1:10 1:10.5 1:11 1:12 1:13 CCuO 称取混合物 1.371 1.350 1.333 1.320 1.314 1.309 1.300 1.292 质量(g) 其中m(g) 1.200 1.200 1.200 1.200 1.200 1.200 1.200 1.200 CuO 开始红热时 间(min) 红热时间(s) 量筒内液体 体积(ml) 扣除空白后 体积(ml) 折算成标态 下气体体积 产物状态 CuO转化率 第四部分 参考文献 [2]钱亚兵,鲍正荣.炭还原氧化铜实验研究[J]. 实验教学与仪器.2003,(9):15-17 [3]周公平. 关于单质碳还原氧化铜的反应产物探讨[J]. 化学教学.2003,(7):18 [4]杨华丽,王亚茹 康永胜 李淑新 乔风霞 许明远. 碳粉还原氧化铜实验探讨[J].实验教学与仪器. 2006,(2):27-28 [5]王丽.木炭还原氧化铜最佳实验条件的选择[J].昌吉师专学报.1999,(3):77-78 [6]夏金虹.炭还原氧化铜实验的改进[J].玉林师专学报(自然科学版).1999,20(3):53-54 [7]张会玲. 木炭还原氧化铜实验[J]. 滁州师专学报.2000，(3):112 [8]肖孔银.碳还原氧化铜实验的几种可选择的方法及注意事项[J].中小学教材教specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code 学.2003,(21):48 [9]刘润花.两个演示实验的改进[J].甘肃教育.2004，(10):47 [10]吴长宝北京顺义区后沙峪中学. 两则化学实验的设计[J]..实验方法与实验设 计.2003,(12):19 specification GB50311-2007 system grounding and safety requirements GB14050-93 security monitoring in the form of digital video and audio encoding and decoding technology GB/T25724-2010 security engineering technical specification GB50348-2004 specification for design of video monitoring system GB50395-2007 design code for industrial television system GBJ-115 code for acceptance of security GA/T308-2001 code for design of electronic information system of the engine room ... Intelligent building design standard GB/t 50314-2006 specification for electrical design of civil architecture intelligent code for construction quality acceptance of JGJ/T 16-92 GB50300-2001 GB50339-2006 the architectural engineering construction quality approval unification standard construction electrical engineering construction quality approval standard GB50303- 2002 code for design of heating, ventilation and air conditioning GB50019-2003 General specification for electronic computer field criterion for GB/T2887-2000 industrial control software GB/T13423-1992 interconnection of information technology standards ISO/IEC11801-95 and the acceptance of automation instrumentation engineering specifications GB 50093-2002 of automation instrumentation engineering quality inspection and evaluation standards GB/J131-96 specification for engineering design of generic cabling system for building and campus security system common graphical symbols GB50311-2000 GA/T74-2000 construction technical code