碳粉还原氧化铜实验的热力学分析

碳粉还原氧化铜实验的热力学分析

“碳粉还原氧化铜”实验是高中的典型实验，也是高师化学教育理论实验中进行实验条件控制方法的典型实验。首先，向学生展示原始碳的还原性。在高水平温度下，某些氧化氧化物的氧气会被提取，并产生还原反应。其次，实验条件对实验结果的影响：（1）红色热；（2）澄清的石灰水变暗了。（3）金属光泽的铜珍珠。调查了近年来的中学化学实验文献，我们可以从不同角度选择实验报告。1996年，刘怀乐将实验装置改为平房状，并选择了碳粉和氧化铜的质量比为1:10.06。实验结果表明，用酒精灯加热可以强烈地改变实验。在反应过程中，有红色热和火花，还有大量气体。综上所述,该实验的改进方式主要是从以下五个方面进行:(1)用不同种类的反应物;(2)用不同质量比的反应物;(3)用不同的热源,改变实验温度;(4)改变实验装置;(5)用不同总量的混合物.本文在大量的实验基础上对影响该实验的各种因素进行了研究,重点对反应物的干燥程度、反应物的混合方式、反应物的总质量、反应物的质量比进行研究,探究出了该实验的最佳条件.1力学分析与影响因素的探讨1.1热力学分析对碳粉还原氧化铜实验进行热力学分析:查手册得:由于C和Cu都是单质,所以其Δ根据公式从计算可知,Δ该反应的平衡常数k根据公式从计算可知,Δ1.2影响该实验的因素影响该实验的主要因素是反应的温度.通过对该实验现象的观察和分析,影响该实验的因素还有:(1)反应物是否干燥;(2)反应物的颗粒大小;(3)反应物的总质量;(4)反应物的质量比.2反应物的质量比综合以上的分析,本研究的实验思路如下:(1)探讨反应物的干湿程度对实验的影响,确定出干湿程度.(2)将(1)中得到的结果定为已知的实验条件继续探讨反应物的颗粒大小和混合方式.(3)再将(1)和(2)中的结果作为实验已知条件,探讨反应物的总质量对实验的影响,探讨总质量为1.1g、2.2g、3.3g、4.4g、5.5g.(4)最后将前三个实验探讨的结果作为第四个探讨的已知条件,探讨反应物的质量比.值得注意的是,虽然根据化学方程式计算出来的理论比例为1:13.3,但是实际实验过程中,由于试管中存在大量的空气,这种情况下就会消耗一部分碳粉,即要求碳粉过量,所以本研究选取反应物的比例为1:4~1:13.3实验部分3.1实验原理该实验为固体与固体之间的放热反应,反应过程中出现红热、火星等实验现象.3.2材料、仪器和试剂(1)药品:活性碳粉(AR,国药集团化学试剂有限公司,20140603)、氧化铜粉(AR,天津科密欧化学试剂有限公司,20140110)、澄清石灰水.(2)仪器:石英试管(20×200mm)、铁架台(带铁夹)、酒精喷灯、托盘天平、电子天平、烧杯、带胶塞的导管、石棉网、研钵.3.3实验设备3.4碳粉和氧化铜的制备实验(1)反应物干燥程度对实验的影响.将碳粉和氧化铜放到150℃的烘箱中烘干30min.待冷却至室温后,称取0.1g碳粉,0.7g氧化铜(选择1:7进行实验,碳粉要过量).再称取一份相同质量的未烘干的药品,分别充分混合但不研磨,装入试管中.用酒精喷灯加热,观察实验现象,实验结果记录如表l.通过上述实验现象可以表明,碳粉和氧化铜在烘干的条件下反应效果更好.因为未烘干的碳粉和氧化铜中含有大量的水分,加热过程中有水蒸气生成,会影响实验效果.(2)反应物颗粒大小及混合方式对实验的影响.称取烘干冷却后的碳粉0.1g,氧化铜0.7g(选择1:7进行实验,碳粉要过量),进行研磨(研磨15min)混合.再称取一份相同质量的不研磨的药品,充分混合,装入试管中.用酒精喷灯加热,观察实验现象,实验结果记录如表2.通过上述实验现象可以看出,碳粉和氧化铜在烘干、研磨的条件下反应效果更好.因为研磨过的碳粉和氧化铜有更大的接触面积,使其充分接触反应(3)反应物总质量对实验的影响.分别称取烘干研磨的反应物混合物(碳粉与氧化铜配比为1:10)1.1g,2.2g,3.3g,4.4g,5.5g,用酒精喷灯加热,观察实验现象,实验结果记录如表3.通过上述实验现象可以看出,碳粉和氧化铜在烘干、研磨、总质量为4.4g的条件下反应生成的光亮铜珠最多,效果更好.(4)反应物的质量比对实验的影响.(1)分别称取烘干冷却研磨总质量为4.4g、碳粉和氧化铜质量比为1:4~1:13(碳粉要过量),分别充分混合,装入试管中.(2)用酒精喷灯加热,观察实验现象,实验结果记录如表4和表5.通过上述实验现象可以看出,碳粉和氧化铜在烘干、研磨、总质量为4.4g、质量比为1:10的条件下反应效果最好.4影响实验效果的因素综上,可以得出碳粉还原氧化铜实验的最佳条件:(1)碳粉和氧化铜在烘干混合的条件下实验效果好,使药品保持干燥以至于没有水珠生成,影响实验效果.(2)碳粉和氧化铜在研磨混合的条件下实验效果好,增大接触面积,使两者充分反应.(