实验五氢气还原氧化铜实验改进与创新设计说明.doc

实验五 氢气还原氧化铜实验改进与创新设计指导老师：肖常磊 实验评分：同组成员：曾丹瑜 一、 探究问题的提出氢气还原氧化铜的演示实验，在中学化学教学中是十分重要而又难度较大的容。其最佳效果是反应后能在试管底部附着一层光亮的铜镜。但由于实验条件控制方面的问题，在课堂上，教师常常因时间所限，只能将反应的中间产物砖红色的氧化亚铜误作金属铜展示给学生。师专学生在进行教育实习时，课堂上也常常不能得到附着在试管底部的铜镜，而是粉末状、砖红色的氧化亚铜。如何在课堂上能快捷、成功地演示氢气还原氧化铜的实验呢？笔者将就影响氢气还原氧化铜实验最大的因素氧化铜的用量和使用方法作一研讨。二、 问题的解决设想分析：1、氢气还原氧化铜实验未能直接得到光亮的铜原因可能有两点：一，氧化铜为固体粉末，与氢气反应，反应需在固相、气相两相间进行，难度较大；二，铜的状态是粉末状，细小颗粒因吸光较多而观察不到铜单质的光亮颜色；三，氧化铜粉末量较多，难于被完全还原成铜，大部分被还原成氧化亚铜，铜单质含量较低，故主要呈氧化亚铜的砖红色。2、实验时间较长，不利于中学课堂演示。猜想：氢气还原氧化铜，氧化铜粉末堆积，中间的氧化铜与氢气接触不完全，导致反应速率慢，所需时间长。解决设想：1、 锌粒的选择： 不宜用纯锌，因为纯锌与酸的反应速度较慢，一样质量的锌粒，圆粒的锌跟酸接触的面积要小于不规则形状的锌粒。所以最好选用纯度不高、形状不规则的锌粒。 2、 稀硫酸的浓度： 实验表明，氢气还原氧化铜实验中，若用稀硫酸制备氢气，硫酸的浓度以 20%或3mol·L-1为宜。低于这个浓度，反应速度太慢；高于这个浓度，锌粒会钝化，反应速度也慢。若用盐酸，浓度以5mol·L-1为宜。 3、 氢气的净化： 锌和稀硫酸作用后，气体中会含有少量水分,会影响实验效果，应除去。所以，应将制得的氢气通过干燥剂氯化钙，便可得到较纯净的氢气。 4、 氧化铜的用量与使用方法： 实验表明，氧化铜用量以涂抹在试管中形成一圈薄层为宜。太少，产生的铜镜面积太小；太多，产生铜镜需要的时间太长，不宜在课堂上演示。氧化铜可选用市售的氧化铜粉末，也可加热分解硝酸铜和氢氧化铜来制备。三、 实验设计方案实验装置图准备工作：按照装置图安装好启普发生器，检查装置气密性。 往启普发生器加入约15g锌粒，注意不要让锌粒漏到半球体中。为此，可在球体与半球体之间加一带小孔的橡皮圈。在球形漏斗中加入250mL 1:4的硫酸溶液（往硫酸溶液中滴加几滴2mol/L硫酸铜溶液），待用。 干燥管置满干燥剂。先在球出气口铺置一层脱脂棉，然后置入干燥剂（如氯化钙等），不要压实，再塞一层脱脂棉。 （一）方案一直接涂抹市售的氧化铜：事先在氧化铜粉末中加少量水，调成糊状，用玻璃棒使之均匀地、薄薄地紧附于试管底部壁，通入验纯后的氢气，加热，5分钟后有铜镜产生。加热时要不停地移动，以免试管炸裂。此法虽然得到铜镜时间较长，但使糊状氧化铜均匀分布于试管底部易于控制。将氧化铜粉末用水稀释成糊状，用玻璃棒蘸取糊状的氧化铜，直接在试管壁上涂约占试管长度1/4的氧化铜涂层一周，晾干。经过纯化的氢气通入涂有氧化铜的试管，待排尽试管中空气后，点燃酒精灯，加热试管外壁，加热过程中缓慢转动试管。（二）方案二加热硝酸铜制取氧化铜：取约 5ml 硝酸铜饱和液，加热使硝酸铜分解生成黑色氧化铜。冷却，由于加热硝酸铜分解制得的氧化铜活性极好，所以通入氢气后加热2分钟后，新鲜的氧化铜便被还原成铜，铜镜在试管底部形成。此法铜镜产生得快，现象明显。但若将整个实验过程全部在课堂上完成，时间不够，且反应产生的 NO2气体对学生伤害很大。所以最好在课前就将硝酸铜加热分解制得氧化铜，这样一则可以节省时间，二则可避免分解硝酸铜产生的二氧化氮气体在课堂上排放。 用硝酸铜自制氧化铜。向洁净试管中滴入23滴饱和硝酸铜溶液（或加入少量研细的硝酸铜晶体）边加热边稍稍转动，使硝酸铜均匀附着在试管壁上，继续加热。由于硝酸铜分解，在试管壁上附着一层黑色的氧化铜。开启启普发生器处的止水夹，制取氢气。氢气进入小试管，估计小试管空气排尽后，点燃酒精灯，加热氧化铜。用氢气还原氧化铜后，可得到光亮的铜镜。 当氧化铜完全被还原后，先熄灭酒精灯，继续通入氢气至冷却，然后停止通入氢气。（三）方案三加热分解氢氧化铜制备氧化铜：取2ml硫酸铜饱和液与4ml氢氧化钠饱和液作用，将产生的混浊液离心分离后，用玻璃棒蘸取少许分离后的氢氧化铜糊状物，在试管壁底部涂成一均匀薄环，加热，待蓝色的氢氧化铜变为新鲜的、高活性的氧化铜后，冷却通入氢气后加热，2 分钟后光亮的铜环便在试管底部形成。此法产生铜镜时间短、效果好又没污染，但整个实验繁琐，课堂上不能完成，最好在课前将氧化铜预先制好。 以上试剂的选择和方法的使用，主要是为了达到两个目的产生有效而强大的氢气流和在试管底部形式一均匀的氧化铜薄层。只要这两种条件具备了，氢气还原氧化铜的铜镜就能快速地形成。用氢氧化铜自制氧化铜。向洁净试管中涂抹一层糊状氢氧化铜薄层边加热边稍稍转动，使氢氧化铜均匀附着在试管壁上，继续加热。开启启普发生器处的止水夹，制取氢气。氢气进入小试管，估计小试管空气排尽后，点燃酒精灯，加热氧化铜。用氢气还原氧化铜后，可得到光亮的铜镜。 当氧化铜完全被还原后，先熄灭酒精灯，继续通入氢气至冷却，然后停止通入氢气。四、 实验过程记录实验装置方案一 氧化铜糊状物涂层 方案二 硝酸铜制备氧化铜方案三 未离心糊状氢氧化铜 方案三 离心后下层糊状氢氧化铜直接加热糊状氧化铜加热硝酸铜制取氧化铜加热硝酸铜制得的氧化铜五、 相关问题探讨1、由实验结果可知，本次进行的氢气还原氧化铜改进实验取得较满意效果。首先，氧化铜被还原成铜单质，出现铜镜，实验现象明显，且反应速率快，用时短，实验成功率高，用水湿润的氧化铜做涂层制得铜镜成功率几乎为百分百，便于在中学课堂上演示实验并取得成功。其次，氧化铜用量少，极减少了实验药品的浪费。最后，由于去除氢气除杂纯化装置后，得到的铜镜与经过纯化步骤所得铜镜无明显差别。故以后进行此实验可去除氢气纯化步骤，简化实验装置。2、本次实验中，用盐酸湿润的氧化铜做涂层与用水湿润的氧化铜做涂层实验结果存在差异，主要有如下两点：一，用盐酸湿润氧化铜做涂层制得的铜镜在亮度、光泽方面明显比用水湿润氧化铜做涂层制得的铜镜效果好；二，用盐酸湿润氧化铜做涂层得到铜镜的成功率为百分百，而用水湿润氧化铜做涂层得到铜镜的成功率虽高，却仍有失败的情况。分析原因：水与盐酸，虽然同是湿润氧化铜涂层，但盐酸能与氧化铜反应，而水不能。查阅文献：盐酸首先与氧化铜反应生成CuCl2，CuCl2再分解为CuCl(Cu2Cl2)。CuCl(Cu2Cl2)具有较低的熔点(422°C)，熔化状态下的CuCl在氢气流的作用下容易均匀地沾附在试管壁上，并在高温下被氢气还原成单质铜，并产生氯化氢，形成铜镜，所以呈光亮状且成功率高、铜镜效果较好。六、 教学思考中学化学教学的魅力在于化学实验，对化学实验进行不断改进和创新，实验才能充满生命和活力，保持其在化学教学中的独特地位。在教学中对实验进行改进和创新，常能起到事半功倍的作用。改进的实验，不仅可以帮助教师更好地完成实验，使之有良好的实验效果，也能增强学生的学习兴趣，培养学生的创新精神和创新能力。中学化学课程中， 实验能与时给学生提供必要的化学事实，使学生获得正确、系统的化学知识和实验技能， 实验在教学中占有极为重要的作用。 教师对待实验，是严谨、规的实验操作原则，但也应该让实验具有灵活、创新的自由空间。 杜威说过：“最好的教育来自于生活。”化学是一门促进社会可持续发展的学科，所以在生活中处处可见化学现象。在实验室里，我们也可以运用生活中的常见素材，改进某些有一定缺陷的实验，让化学实验变得更美，让实验朝着节约资源、能源，高效无污染方向发展，让化学学科观念在学生的观察、思维、分析、归纳中自然而然的呈现，这才是教师费心改进实验的初衷。七、 参考文献1华南师大学化学实验教学中心编.中学化学实验教学论M.:化学工业,2007.2西南师学院化学系.中学化学教学法实验M.高等教育 3鸿博.中学化学教材教法M.东北师大学.8 / 8