正交法测定木炭还原氧化铜的最佳实验条件报告书

1、设计实验方案报告书开课学期 2014 至 2015 学年第 2 学期实验项目：木炭还原氧化铜实验设计学生姓名：井娟、李娜、李颖、刘丝路指导教师：杨国萍学号： 12060141009 、12060141011 12060141014、12060141015 专业：化学班级：化学教育完成日期： 2015 年 4 月 16 日实验项目名称：正交实验法探究木炭还原氧化铜最佳实验条件实验计划学时数： 8 课时学分数：所属课程：化学教学论课程性质：探究实验所属实验室：教法实验室起止时间：第 7-8 周一、文献综述碳还原氧化铜是初中化学教材中的一个重要而又难做成功的演示实验。该实验的目的是向学生直观说明 :

2、 单质的碳也像氢气一样 , 具有还原性 , 在较高的温度下它能夺取某些氧化物里的氧 , 使其发生还原反应。该实验成功的现象表现在三个方面: ( 1) 澄清石灰水变浑浊 ; ( 2) 反应有着红热现象 ; ( 3) 有光亮的块状铜生成。按照义务教育课程标准实验教科书初中化学 实验 6- 2 的方法进行实验 , 该实验成功率低 , 并且还原产物往往成砖红色粉末状, 得不到有金属光泽的亮红色铜块, 达不到该实验的教学目的。有资料指出，其实这种砖红色物质是氧化亚铜而不是铜。但反应失败时有的实验者将砖红色的氧化亚铜当作铜，致使学生产生误解，影响了对反应实质的把握。有许多化学教学工作者都对这一反应进行了探

3、索，对各因素的影响也已进行了大量研究，但侧重于单一参数变化对反应的影响。而各种因素对反应的影响大小不同，每种因素又可以有不同水平，这些因素水平之间又相互制约，因而简单实验并不能揭示各因素影响的大小。因此本实验通过正交设计法对反应进行探索，欲找到此反应中各因素影响的大小及此反应的最佳实验条件。一、火焰温度。不同的温度下反应结果不同，采用酒精灯罩改变火焰温度二、是选择适当的反应物质量比， 木炭和氧化铜的比例是关键。 按反应方程式计算，木炭和氧化铜的比例是1:13.2 ，考虑到木炭含有杂质，木炭应过量20% ，因此采用大约1:10 的比例。三、研磨时间。因为木炭和氧化铜都是固体，研磨时间不同，颗粒大

4、小就不同，接触的表面积就不同，因此采用改变研磨时间来改变接触面积。参考文献：1 陈达辉 , 龙光宇 . 碳还原氧化铜的改进 j. 实验教学与仪器, 1994, 6 (8): 41. 2 董耀华 . 碳还原氧化铜的实验探讨与改进 j . 教学仪器与实验, 2000, 4 (11): 7. 3 王锦化 , 李晖 , 孙张珂 , 等. 高师实验教学研究中碳还原氧化铜实验的重新设计 j. 高校实验室工作研究 , 2005, 12: 6-9. 4 钱亚兵 , 鲍正荣 . 碳还原氧化铜实验研究 j. 实验教学与仪器, 2003, 2 (9): 15- 17 5 李建生 , 化学仪器和实验,2003,(8)

5、:31 6 杨绍武 , 化学教育 ,2009,30 （ 4）;72 二、实验目标（一）知识与技能 (1) 通过实验进一步认识木炭单质的还原性及该实验的原理和操作技能； (2)了解正交实验法的简单应用，通过对本实验的研究进一步培养研究、改进化学实验的能力。（二）过程与方法 (1)通过一系列基本操作进一步掌握基本操作及相关注意事项； (2)通过正交实验法探究本实验成功的最优化方案。（三）情感态度与价值观产生对化学学科的热爱，培养学生实事求是的科学态度，感受科学发现的过程和所运用的方法，发展相互交流，共同协作的科学精神，初步具备创新意识。三、实验仪器与试剂1. 表 1 实验仪器名称型号规格数量大试管

6、25mm*200mm 两个铁架台带铁夹一个玻璃导管90两个分析天平yp610n 一个胶塞4#单孔一个火柴一盒研钵配套研磨棒一个酒精灯一个酒精灯罩粗细网各一个橡胶管10cm 一个止水夹一个长柄药匙两个细铜丝200cm，400cm 各一个烘箱101a-1e 一个2. 表二实验试剂四、实验原理碳是一种具有还原性的非金属。在一定条件下， 木炭具有还原性， 能在加热的条件下夺取氧化铜中的氧， 使金属氧化物还原为单质， 炭则生成炭的氧化物。 反应方程式为：c+2cuo=co2+2cu， 反应条件为高温。该反应是固体与固体的反应，接触不够充分，所以需要增大反应物的接触面积，所以要把混合物充分研磨。而要观察到

7、二氧化碳气体需要新制的澄清石灰水装置，反应产生的气体用澄清石灰水检验后若变浑浊，则有二氧化碳生成： c02+ca(oh)2=caco3+h2o。但影响该实验的因素多达十几种，如碳和氧化铜的配比、碳和氧化铜的类型、反应药品干燥程度、 反应混合物用量、 反应温度、反应器类型、 反应混合物粒度及混合程度、药品填装方式、反应物堆积形态等。本实验通过正交实验法对木炭还原氧化铜的最佳实验条件进行探究找出影响实验的主要因素（火焰温度，木炭和氧化铜的质量比，反应研磨时间、烘干时间），并得到最佳方案。表 1 因素水平表mc:mcuo a 火焰温度b 研磨时间/min c 烘干时间 /h d 1 1:10 酒精灯

8、0 0 2 1:12 酒精灯 +细网罩5 0、5 3 1:14 酒精灯 +粗网罩10 1 表 2 实验安排表实验序号mc:mcuo a 火焰温度b 研磨时间 c 烘干时间d 1 a1 b1 c1 d1 名称规格数量木炭一瓶氧化铜一瓶澄清石灰水一瓶因素水平2 a1 b2 c2 d2 3 a1 b3 c3 d3 4 a2 b3 c2 d1 5 a2 b2 c1 d3 6 a2 b1 c3 d2 7 a3 b2 c3 d1 8 a3 b3 c1 d2 9 a3 b1 c2 d3 五、实验内容5.1 实验前准备工作将仪器在 120烘箱中干燥 1h。将炭研细，备用。5.2 检验装置的气密性。如下图安装好

9、仪器， 用手捂住试管， 观察导管处有气泡冒出， 松开试管并稍等片刻，观察到导管有一小段上升的水柱，证明装置气密性良好。5.3 设计正交试验表，按表格进行实验。5.4 反应物的称取。按表格所给的比例称取木炭和氧化铜粉末，先将纯木炭装入试管底部，在装入氧化铜粉末，混合后压紧并夯实。按所给条件选取适当温度进行加热。5.5 在右侧试管中加入30ml 澄清石灰水，点燃酒精灯，加热。片刻后将导管深入澄清石灰水液面下。开始反应。5.6 待石灰水中没有气泡冒出至反应完毕后，先用弹簧夹家住导气管的胶皮管，图 1 木炭还原氧化铜装置图再撤去澄清石灰水中的导管，最后熄灭撤去酒精灯。待装置冷却后，拆分实验装置。5.7

10、 洗涤仪器，放回原位。六、结果与讨论1、实验结果记录序号试管内现象烧杯内现象评分1 无光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水变浑浊 64 2 无光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水变浑浊 69 3 小部分是 cu 澄清石灰水变浑浊 79 4 无光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水变浑浊 66 5 无光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水变浑浊 60 6 无光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水变浑浊 68 7 小部分是 cu 澄清石灰水变浑浊 70 8 无光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水变浑浊 60 9 无光亮的 cu ，大部分是 cu

11、2o 澄清石灰水变浑浊 63 2、实验结果评分标准实验结果评分结果全部生成光亮的铜，无cuo 、c和 cu2o 100 几乎全部有生成光亮的铜，稍有cuo 和 cu2o 90-99 大部分是 cu 80-89 小部分是 cu 70-79 无光亮的 cu ，大部分是 cu2o 60-69 3、正交实验法探究木炭与氧化铜实验结果的处理容易看出，影响因素的主次顺序为cabd。即研磨时间木炭与氧化铜质量比火焰温度烘干时间。经过上图可直观比较各因素的k1,k2 和 k3，可以看出，对木炭与氧化铜质量比， 最好的实验编号影响因素结果评分a b c d 1 a1 b1 c1 d1 64 2 a1 b2 c2

12、 d2 69 3 a1 b3 c3 d3 79 4 a2 b3 c2 d1 66 5 a2 b2 c1 d3 60 6 a2 b1 c3 d2 68 7 a3 b2 c3 d1 70 8 a3 b3 c1 d2 60 9 a3 b1 c2 d3 63 k1 212 195 184 200 k2 194 199 198 197 k3 193 205 217 202 k1 70.6 65.0 61.3 66.6 k2 64.6 66.3 66.0 65.6 k3 64.3 68.3 72.3 67.3 r 6.3 3.3 11.0 1.7 实验结果为 a1，对火焰温度最好实验结果为b3，对研磨时间最好的实验结果为c3 ，对木炭烘干时间最好的实验结果为d3。 因此综合九次实验结果来看， 木炭还原氧化铜的最好实验条件为a1.b3.c3.d3，也就是木炭与氧化铜质量比为1：10，火焰加热温度为酒精灯加粗网罩，研磨时间为10min，木炭烘干时间为1h。七、实验中可能存在的问题及解决方法6.1 反应完毕加热不能立即停止，应逐渐停止加热，否则因冷却而进如试管的氧气会重新氧化产物铜的表面，使其颜色发暗。6.2 本实验加热的