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CO2的生成。张翼,黎国兰.碳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):58-613.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。二、反应原理及过程1.反应原理文献报道的反应原理：C+2CuO=Cu2O+CO………………..(1)CO+Cu2O=2Cu+CO2………………(2)总反应方程式：C+2CuO=2Cu+CO2………………..(3)可能的副反应有：C+O2=CO22C+O2=2COCuO+CO=Cu+CO2C+CO2=2CO2CO+O2=2CO2老师新的研究结果：“红热”前（小于1026℃）反应机理：C+2CuO=Cu2O+CO………………..(1)△rH0m(298K)=35.475KJCO+Cu2O=2Cu+CO2………………(2)△rH0m(298K)=-114.384KJCO+CuO=Cu+CO2…………………(3)△rH0m(298K)=-125.681KJ重要的副反应：含碳有机物，热解生成CO2、CO、H2等。“红热”过程（大于1026℃）反应机理：2CuO=Cu2O+1/2O2………………..(4)△rH0m(298K)=146.000KJ2C+O2=2CO……………………….(5)△rH0m(298K)=-221.050KJCO+Cu2O=2Cu+CO2………………(6)CO+CuO=Cu+CO2…………………(7)2.反应过程：从研究报告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第一阶段1026℃以下C+2CuO=Cu2O+COCO+Cu2O=2Cu+CO2CO+CuO=Cu+CO2无“红热”、暗红色粉末、少量气体速率慢，转化率小、维持时间约1~2min左右第二阶段1026℃~1083.4℃2CuO=Cu2O+1/2O22C+O2=2COCO+Cu2O=2Cu+CO2CO+CuO=Cu+CO2“红热”、网状铜、大量气体速率快，转化率大，维持时间共约数秒大于1083.4℃“红热”、铜珠、大量气体在第一阶段，加热下C与CuO在吸收热能后发生反应生成Cu2O和CO，CO再与Cu2O生成Cu和CO2，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Cu2O和O2，此时，C与O2发生不完全燃烧生成CO，红热过程实质是C的不完全燃烧过程，然后CO还原Cu2O为Cu，反应产生的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，是由于表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方程式温度（K）△rH0m（KJ•mol-1）△rG0m（KJ•mol-1）△rS0m（KJ•mol-1）C+2CuO=Cu2O+CO29833.1900-25.1690200.7030100025.1674-163.6691188.8365CO+Cu2O=2Cu+CO2298-116.3040-114.8150-11.55801000-119.0595-101.3980-17.6615C+2CuO=2Cu+CO2298-8...
