氢气还原氧化铜实验探究

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  学生学习的积极性来源于浓厚的学习兴趣、正确的学习动机、良好的学习方法,以及在学习过程中不断提高的学习能力和优良的学习效果。正确的学习动机是推动学生自觉积极学习的动力。浓厚的学习兴趣能使学生处于观察敏锐、理解迅速、记忆牢固、想象丰富、反应敏捷的积极的精神状态。教师在教学过程中,要充分利用实验、联系生活实际,培养学生正确的学习动机、激发学生的学习兴趣,使学生享受学习的乐趣,是初中化学教学的任务之一,也是减轻学生课业负担提高课堂教学质量的有效途径。怎样才能、培养学生的学习兴趣呢?做好化学实验是激发学生兴趣、启发学生思考、活跃课堂气氛、培养学生动手能力的有效途径。教师在平时教学中,要想确保化学实验操作程序规范、实验现象明显,每个实验都能达到预期的教学效果,就必须下功夫研究课本中出现的所有实验,对实验现象不明显或实验效果不佳的实验要想方设法加以改进,以增强实验教学的直观性。下面就如何做好氢气还原氧化铜实验,谈谈我的一些体会。
  在氢气还原氧化铜实验中,往往得不到光亮的铜,实验后试管中残留的物质一般为无金属光泽的暗红色固体,久置于空气中会变黑。该暗红色固体是什么物质?它是如何生成的?怎样才能得到光亮的金属铜?为解决这些问题,我进行了一系列探索和研究。
  首先取两支试管,在一支中加入少许铜屑,另一支中加入少许暗红色固体,然后向两支试管中分别注入3ml稀硫酸,再将两支试管同时放在酒精灯上用小火加热1分钟,发现放铜屑的试管中无明显变化,而放暗红色固体的试管中,溶液的颜色由无色渐渐地变成了蓝色。这组对比试验说明,铜屑在微热的条件下与稀硫酸不反应,而暗红色固体能与稀硫酸发生反应,由此可见,该暗红色固体不可能是纯净的铜。那它会不会是铜和氧化铜的混合物呢?
  取两支试管,在一支中加入少许铜屑,另一支中加入少许暗红色固体,然后向两支试管中分别注入3ml无色的硝酸银溶液,充分振荡后发现,放铜屑的试管中,溶液的颜色逐渐由无色变成了蓝色,而放暗红色固体的试管中,溶液的颜色无明显变化,这组对比试验说明了铜屑能和硝酸银溶液发生置换反应Cu+2AgNO3=Cu(NO3)2+2Ag↓,使无色的硝酸银溶液变成了蓝色的硫酸铜溶液,而暗红色固体不能和硝酸银溶液发生置换反应,由此可见,暗红色固体的主要成分不可能是金属铜。那它的主要成分究竟是什么呢?
  笔者认为,它的主要成分应该是氧化亚铜。氧化亚铜为暗红色固体,不溶解于水,在潮湿的空气中能被缓慢氧化成氧化铜2Cu2O+O2=4CuO,在稀硫酸中能发生歧化反应Cu2O+H2SO4=CuSO4+Cu↓+H2O。暗红色固体的性质与氧化亚铜的性质相吻合,所以说它的成分主要是氧化亚铜而不是铜。那么氧化亚铜是如何生成的呢?
  在多项反应体系中,反应是在两项之间的接触面上发生的。在氢气与氧化铜的反应中,只有与氢气直接接触的表面一层氧化铜,才能被氢气还原成铜,生成的铜覆盖在氧化铜的表面阻止了反应的进一步进行,而生成的铜层与跟它接触的氧化铜之间又可发生反应Cu+CuO=Cu2O,依据是:一方面从离子结构来看Cu+是3d10应该比Cu2+(3d9)稳定,铜的第二电离能又较高,故在气态时Cu+的化合物是稳定的(注:在水溶液中,因Cu2+的水合热比Cu+的水合热大得多,故Cu+在溶液中不稳定,会歧化为Cu2+和Cu);另一方面从热力学角度来看,该反应的△H(298)=-11.7KJ,△G(298)=-19.4KJ,△S(298)=24.2J/K 说明了该反应在常温下是能自发进行的放热反应。再由吉布斯—霍姆赫兹公式:△G=△H-T△S可以看出,△G恒小于零〔注:△H、△S受温度影响不大,常用△H(298)和△S(298)代替△H和△S代入吉布斯—霍姆赫兹公式来估算使反应方向逆转的最低温度〕,该反应在任何温度下都是能自发进行的。而在工业上,正是利用这个反应,采用铜还原氧化铜矿石的方法,来制取大量的氧化亚铜的。
  怎样才能生成光亮的金属铜呢?关键是要增大氧化铜和氢气的接触面和尽可能避免副反应Cu+CuO=Cu2O的发生,也就是要设法得到氧化铜薄层。我对氢气还原氧化铜的实验做了一些改进,具体做法是:首先向干燥的试管中滴一小滴水,转动试管使水均匀地湿润试管底部,然后向试管中加少许氧化铜粉末,轻轻转动试管使氧化铜粉末均匀地粘到试管底部的壁上,将多余的氧化铜倒出,用酒精灯小火烘干后再进行氢气还原氧化铜的实验,通过这样的改进后反应现象明显,可制得光亮的铜镜。
  在平时的教学中,教师要注重对化学实验的研究和探讨,给学生多创造一些亲手做对比性实验、探究性实验的机会,让学生做一些与工农业生产和生活实际密切相关的小课题研究,以培养学生用所学知识解决实际问题的能力。
  (作者单位:江苏盐城市盐都区实验学校)
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