碳粉還原氧化銅實驗的熱力學(xué)分析

“碳粉還原氧化銅”實驗是高中的典型實驗，也是高師化學(xué)教育理論實驗中進行實驗條件控制方法的典型實驗。首先，向?qū)W生展示原始碳的還原性。在高水平溫度下，某些氧化氧化物的氧氣會被提取，并產(chǎn)生還原反應(yīng)。其次，實驗條件對實驗結(jié)果的影響：（1）紅色熱；（2）澄清的石灰水變暗了。（3）金屬光澤的銅珍珠。調(diào)查了近年來的中學(xué)化學(xué)實驗文獻，我們可以從不同角度選擇實驗報告。1996年，劉懷樂將實驗裝置改為平房狀，并選擇了碳粉和氧化銅的質(zhì)量比為1:10.06。實驗結(jié)果表明，用酒精燈加熱可以強烈地改變實驗。在反應(yīng)過程中，有紅色熱和火花，還有大量氣體。綜上所述,該實驗的改進方式主要是從以下五個方面進行:(1)用不同種類的反應(yīng)物;(2)用不同質(zhì)量比的反應(yīng)物;(3)用不同的熱源,改變實驗溫度;(4)改變實驗裝置;(5)用不同總量的混合物.本文在大量的實驗基礎(chǔ)上對影響該實驗的各種因素進行了研究,重點對反應(yīng)物的干燥程度、反應(yīng)物的混合方式、反應(yīng)物的總質(zhì)量、反應(yīng)物的質(zhì)量比進行研究,探究出了該實驗的最佳條件.1力學(xué)分析與影響因素的探討1.1熱力學(xué)分析對碳粉還原氧化銅實驗進行熱力學(xué)分析:查手冊得:由于C和Cu都是單質(zhì),所以其Δ根據(jù)公式從計算可知,Δ該反應(yīng)的平衡常數(shù)k根據(jù)公式從計算可知,Δ1.2影響該實驗的因素影響該實驗的主要因素是反應(yīng)的溫度.通過對該實驗現(xiàn)象的觀察和分析,影響該實驗的因素還有:(1)反應(yīng)物是否干燥;(2)反應(yīng)物的顆粒大小;(3)反應(yīng)物的總質(zhì)量;(4)反應(yīng)物的質(zhì)量比.2反應(yīng)物的質(zhì)量比綜合以上的分析,本研究的實驗思路如下:(1)探討反應(yīng)物的干濕程度對實驗的影響,確定出干濕程度.(2)將(1)中得到的結(jié)果定為已知的實驗條件繼續(xù)探討反應(yīng)物的顆粒大小和混合方式.(3)再將(1)和(2)中的結(jié)果作為實驗已知條件,探討反應(yīng)物的總質(zhì)量對實驗的影響,探討總質(zhì)量為1.1g、2.2g、3.3g、4.4g、5.5g.(4)最后將前三個實驗探討的結(jié)果作為第四個探討的已知條件,探討反應(yīng)物的質(zhì)量比.值得注意的是,雖然根據(jù)化學(xué)方程式計算出來的理論比例為1:13.3,但是實際實驗過程中,由于試管中存在大量的空氣,這種情況下就會消耗一部分碳粉,即要求碳粉過量,所以本研究選取反應(yīng)物的比例為1:4~1:13.3實驗部分3.1實驗原理該實驗為固體與固體之間的放熱反應(yīng),反應(yīng)過程中出現(xiàn)紅熱、火星等實驗現(xiàn)象.3.2材料、儀器和試劑(1)藥品:活性碳粉(AR,國藥集團化學(xué)試劑有限公司,20140603)、氧化銅粉(AR,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司,20140110)、澄清石灰水.(2)儀器:石英試管(20×200mm)、鐵架臺(帶鐵夾)、酒精噴燈、托盤天平、電子天平、燒杯、帶膠塞的導(dǎo)管、石棉網(wǎng)、研缽.3.3實驗設(shè)備3.4碳粉和氧化銅的制備實驗(1)反應(yīng)物干燥程度對實驗的影響.將碳粉和氧化銅放到150℃的烘箱中烘干30min.待冷卻至室溫后,稱取0.1g碳粉,0.7g氧化銅(選擇1:7進行實驗,碳粉要過量).再稱取一份相同質(zhì)量的未烘干的藥品,分別充分混合但不研磨,裝入試管中.用酒精噴燈加熱,觀察實驗現(xiàn)象,實驗結(jié)果記錄如表l.通過上述實驗現(xiàn)象可以表明,碳粉和氧化銅在烘干的條件下反應(yīng)效果更好.因為未烘干的碳粉和氧化銅中含有大量的水分,加熱過程中有水蒸氣生成,會影響實驗效果.(2)反應(yīng)物顆粒大小及混合方式對實驗的影響.稱取烘干冷卻后的碳粉0.1g,氧化銅0.7g(選擇1:7進行實驗,碳粉要過量),進行研磨(研磨15min)混合.再稱取一份相同質(zhì)量的不研磨的藥品,充分混合,裝入試管中.用酒精噴燈加熱,觀察實驗現(xiàn)象,實驗結(jié)果記錄如表2.通過上述實驗現(xiàn)象可以看出,碳粉和氧化銅在烘干、研磨的條件下反應(yīng)效果更好.因為研磨過的碳粉和氧化銅有更大的接觸面積,使其充分接觸反應(yīng)(3)反應(yīng)物總質(zhì)量對實驗的影響.分別稱取烘干研磨的反應(yīng)物混合物(碳粉與氧化銅配比為1:10)1.1g,2.2g,3.3g,4.4g,5.5g,用酒精噴燈加熱,觀察實驗現(xiàn)象,實驗結(jié)果記錄如表3.通過上述實驗現(xiàn)象可以看出,碳粉和氧化銅在烘干、研磨、總質(zhì)量為4.4g的條件下反應(yīng)生成的光亮銅珠最多,效果更好.(4)反應(yīng)物的質(zhì)量比對實驗的影響.(1)分別稱取烘干冷卻研磨總質(zhì)量為4.4g、碳粉和氧化銅質(zhì)量比為1:4~1:13(碳粉要過量),分別充分混合,裝入試管中.(2)用酒精噴燈加熱,觀察實驗現(xiàn)象,實驗結(jié)果記錄如表4和表5.通過上述實驗現(xiàn)象可以看出,碳粉和氧化銅在烘干、研磨、總質(zhì)量為4.4g、質(zhì)量比為1:10的條件下反應(yīng)效果最好.4影響實驗效果的因素綜上,可以得出碳粉還原氧化銅實驗的最佳條件:(1)碳粉和氧化銅在烘干混合的條件下實驗效果好,使藥品保持干燥以至于沒有水珠生成,影響實驗效果.(2)碳粉和氧化銅在研磨混合的條件下實驗效果好,增大接觸面積,使兩者充分反應(yīng).(