碳还原氧化铜实验研究，本文主要内容关键词为：氧化铜论文,实验研究论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中学化学中C还原CuO的演示实验因难以产生放热现象或得不到还原产物Cu而一直是实验的难点。为此，我们从理论和操作两方面着手做了深入的研究，从热力学角度探讨了该实验可能发生的反应历程。通过大量实验，研究和分析了影响该实验的可能因素，探讨了实验的最佳条件，改进了实验装置。提高了实验效果和成功率。
1.反应历程探讨和实验验证
a.反应历程探讨。
目前有人从热力学角度分析该反应可能进行的历程，认为可能是分两步进行的：
但我们所做实验的产物中经常会有Cu[，2]O，这是该反应历程不能解释的。通过对实验现象的分析和热力学计算我们推知该反应可能存在以下两步反应：
总反应方程式：
代入相关数据，计算结果（表1）。
表1 在不同温度下的热力学函数数值
由表1计算的结果来分析C还原CuO可能进行的两步反应（1）′和（2）′的热力学依据。从（1）′、（2）′在298K、1000K的
均小于零的结果来看，这两个反应都有自发进行的趋势，而且（1）′式的在1000K时的值比在298K时的值负得多，说明升高温度使（1）′的自发趋势大大增加；而（2）′式的
和的值在298K和1000K时相差不大，因而温度的变化对其自发趋势影响不大。但是对于（1）′试来说，其不论是在298K还是在1000K都为正值，说明是吸热反应，因而升高温度有利于（1）′式反应的进行。这些都与实验事实是相吻合的。
综合上述分析，我们不难看到：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。一旦（1）′进行了，（2）′就极易进行了。
从动力学角度来看：在一定温度下，活化能越大，反应进行就越慢。反之，活化能越小，反应进行就越快。活化能的大小是由反应物的性质和物质结构所决定的。在C还原CuO的反应物晶体中，两反应物晶体的结构都很稳定，使这一反应具有较高的活化能。再加上这个反应是固体与固体间的反应，只能在表面进行，反应较为困难。
b.实验验证。
①Cu[，2]O的检测。取所做系列实验中效果最好的一组实验产物（即亮红色铜块，无黑色物质），向其中加入醋酸并微热片刻。分离反应产物，发现在固体产物中除了初始的铜块外还出现了一些细小的铜沙；在液体产物中加入NaOH溶液有蓝色沉淀生成。这些实验中可能发生了以下两个反应：
②CuO热稳定性检验。通过热电偶法测出：酒精灯外焰温度约为880K，灯罩内的温度约为900K；酒精喷灯火焰温度约为1100K。取少量CuO在酒精喷灯火焰上加热数分钟，无明显现象产生；再向其中加入浓HCl，振荡，固体全部溶解。实验证明：在这样的温度下CuO不会分解。这也与大多数文献介绍的CuO的分解温度在1300K左右的结论相一致。该组实验排除了Cu[，2]O是CuO分解产生的可能性。
③Cu[，2]O化学活性检验。尝试用CO还原Cu[，2]O（试剂纯），实验发现：在300℃左右，反应极为迅速，现象非常明显（CO将Cu[，2]O还原成铜镜）。该组实验证明Cu[，2]O的反应活性较大，因此（2）′可能存在且极易进行。
2.实验部分
分别以新制木炭、炭黑、活性炭、石墨粉与不同品质氧化铜粉末配成不同比例混合物，研匀、烘干。如图1进行实验，结果如下（表2）。
图1 碳与氧化铜反应装置
表2 CuO试剂与新制木炭反应现象
3.结果与讨论
①采用Y-形管可以改进和简化实验装置，并方便检验CO[，2]；在反应物上方填充一些玻璃毛是为了防止反应剧烈时将之冲出去；在Y-形管口塞上四周刻有凹槽的塞子既可以保证体系的温度，又可以使还原出来的Cu在CO[，2]保护下，不会被再度氧化。
②Cu[，2]O化学活性验证实验说明，温度对该反应的影响不大，但反应物间的接触情况影响较大，接触越充分，反应就越迅速。这也说明，在C还原CuO实验过程中，由于生成的CO的逃逸以及反应物表面被生成的Cu所覆盖而使CO和Cu[，2]O接触不充分，因此反应产物中始终存在部分Cu[，2]O。
③分析表2、表3中实验现象不难发现：对于热源的选择是以能够引发（1）′为标准；当反应物中C的百分含量在8.33％～10.00％之间时，实验效果较好。
表3 CuO试剂与不同C反应的现象
④通过用不同种类的C和不同方法制得的CuO配成不同质量比进行实验，结果表明：影响反应成败的关键因素之一是C的品质，而与CuO的品质关系不大，表2、表3列举的是部分实验现象。实验效果从新制木炭、炭黑、颗粒活性炭、石墨粉依次降低。
⑤从图2可以看到：放热反应的快慢随着反应物中C的百分含量的变化，在8.33％～10.00％之间放热反应速度较快，在小于8.33％或大于10.00％时会逐渐减慢；采用不同热源，实际上是对（1）′引发快慢不同。加热的温度越高，放热反应的速度就越快，反应物品质的影响就越小。需要说明的是：图2是对大量实验数据统计的结果。
综上所述，实验证明：反应物中新制木炭的百分含量在8.33％～10.00％之间，C与CuO要研细、混匀、烘干，混合物部位用酒精灯火焰包围加热，反应速度最快，放热现象最明显，生成的铜块较大，色泽亮丽。