碳還原氧化銅的反應(yīng)是放熱反應(yīng)

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1、碳還原氧化銅的反應(yīng)是放熱反應(yīng)碳還原氧化銅的反應(yīng)是放熱反應(yīng) 廣西博白縣第三高級中學(xué) （537600）王貞潔 碳還原氧化銅是中學(xué)化學(xué)的重要內(nèi)容之一 .在中 學(xué)教科書里編排了這一變化的演示實驗 ,該實驗內(nèi)容 是: 把經(jīng)過烘干的木炭和黑色的氧化銅共同研磨混 勻 ,小心地放進(jìn)試管里 ,并將試管固定在鐵架臺上 .試 管口裝有通入澄清石灰水的導(dǎo)管 ,用酒精燈 （可加網(wǎng) 罩以使火焰集中并提高溫度 ）加熱試管幾分鐘后 ,觀 察石灰水發(fā)生了什么變化 ?反應(yīng)后把試管里的粉末 倒在紙上 ,粉末發(fā)生了什么變化 ?（實驗裝置參見下 圖） C 清 灰水 實驗后,教材初次提出了 吸熱現(xiàn)象 和放熱現(xiàn) 象兩個概念 ,這就使碳還原

2、氧化銅的熱效應(yīng)成為教 師在教學(xué)中的需要 .而一些教師 （特別是年輕教師 ）斷 言這一變化是吸熱反應(yīng) .由于中學(xué)教材及相關(guān)教學(xué)輔 導(dǎo)書中大都沒有指明碳還原氧化銅的熱效應(yīng) ,因此就 很有必要來討論一下這個問題 .,碳還原氧化銅的焓變?yōu)樨?fù)值 碳還原氧化銅的實驗是在常溫常壓下于閉口容 器中進(jìn)行的 .可以認(rèn)為其反應(yīng)熱等于它的焓變 AH., 若AH.為正值.表示體系從環(huán)境吸收熱量，是吸熱反 應(yīng);若AH.為負(fù)值，則表示體系釋放熱量給環(huán)境，反 應(yīng)是放熱反應(yīng) .而一個化學(xué)反應(yīng)的焓變 ,可用下面的 公式進(jìn)行計算 .AH. 一刀(Att?)產(chǎn)物一刀(AH9)反應(yīng)物 碳與氧化銅在加熱條件下 ,可能發(fā)生兩種化學(xué)變 化:

3、CuO(s)+C(s) Cu(s)+CO(g)(2)2CuO(s)+C(s) 2CLI(S)+CO2rg)查表知,在 298K 時, H?(CuO,s)157.3kJ?tool H?(CO,g)1l0kJ?tool H(C02,g) 一 -393.5kJ?tool 而本實驗中的碳是取用木炭 ,木炭為石墨晶體結(jié) 構(gòu),它與銅一樣 ,都是穩(wěn)定的單質(zhì) ,AH 都是 實驗研究0kJ?mo1 一.若碳還原氧化銅反應(yīng)后的最終氣體產(chǎn)物是 CO,則AH.的值為：AH. 一 AH(CO,g)+AH?(Cu,S) H?(CuO,s)+AH(C,s) 一一 1l0kJ?tool 斗0kJ?tool 一 一 157.3

4、kJ?tool+0kJ.tool =47.3kJ?tool_.,AH. 為正值,該反應(yīng)是吸熱反應(yīng) .反應(yīng)過程必須 不斷地由環(huán)境補(bǔ)充熱量 .但是,若碳還原氧化銅反應(yīng)的最終氣體產(chǎn)物是cQ時，通過上述公式算出 H0 78.9kJ?mol . 在進(jìn)行實驗操作時 ,并不需要強(qiáng)熱就能順利地進(jìn)行 .當(dāng) 碳與氧化銅混合物溫度升高到有 C0產(chǎn)生時,o0在該 溫度下與 CuO 的反應(yīng)就容易而且快多了 .實驗事實也 證明 ,碳與氧化銅反應(yīng)的主要產(chǎn)物不是 00,而是(). 把反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通人澄清的石灰水中 ,石灰水變渾 濁,說明產(chǎn)物中有 c02 氣體.若用試管收集滿所產(chǎn)生 的氣體,小心地倒扣在盛有 NaOH 溶液的

5、水槽中 ,試 管內(nèi)液面會迅速上升 ,液面高度約占試管的五分之 四.這說明產(chǎn)物氣體中絕大部分被 NaOH 溶液吸收 , 也就是說其主要產(chǎn)物是C()2.因此，能夠客觀地反映 碳與氧化銅反應(yīng)的總變化是：2CuO(s)+C(S) 2Cu(s)+CO2(g),其反應(yīng)焓變計算結(jié)果是：AH. 78.9kJ?tool.這表明，在 289K 時每 2toolCuO 與 1toolC 轉(zhuǎn)變成 2toolCLl 和 1toolCO2 后,體系需 要向環(huán)境釋放78.9kJ的熱量，故碳還原氧化銅的反 應(yīng)是放熱反應(yīng) .二,碳還原氧化銅需要較高的溫度條件有人提出疑問 ,既然是一個放熱反應(yīng) ,為什么長 時間加熱 ,反應(yīng)現(xiàn)象仍

6、不明顯 ?的確,按教材上的實 驗方案,將反應(yīng)物混合長時間加熱后 ,只能以澄清石 灰水變渾濁來證實反應(yīng)已經(jīng)開始 ,產(chǎn)物氣體有 CO2 生成,而在黑色的反應(yīng)混合物里有一些紅色粉末 ,就 認(rèn)定生成了銅 (其實經(jīng)常是含有一部分氧化亞銅 ).整 個反應(yīng)過程沒有明顯的放熱現(xiàn)象 ,因此一些教師認(rèn)定 是吸熱反應(yīng)也就在所難免了 ,當(dāng)然這是不正確的 . 實際上 ,一個化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)地進(jìn)行 ,其劇烈 程度怎樣 ,是由多種因素決定的 ,不能簡單地從放熱 反應(yīng)得出結(jié)論 .Ho 是狀態(tài)函數(shù) ,是由體系的始態(tài)和 終態(tài)決定的 ,與過程無關(guān) .當(dāng)體系沒有達(dá)到開始反應(yīng) 所需要的溫度時 ,或者反應(yīng)開始后體系損失的熱量大 于反應(yīng)放

7、出的熱量 ,都不能使化學(xué)反應(yīng)自發(fā)地進(jìn)行 .我們知道 ,物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化的過程 ,是原子重93實驗研究新組合的過程 .必須破壞反應(yīng)物內(nèi)的化學(xué)鍵 ,形成新 的物質(zhì) ,要克服舊鍵斷裂的引力和新鍵形成的斥力 , 相互作用的微粒必須具有足夠大的能量 ,也就是說 , 存在著一個對化學(xué)反應(yīng)速度影響極大的活化能問題 碳還原氧化銅的反應(yīng)物晶體中 ,都存在著較強(qiáng)的化學(xué) 鍵 ,如反應(yīng)中的碳 ,實質(zhì)上有著石墨的晶體結(jié)構(gòu) ,其熔 點高達(dá) 3300K 以上 ,而氧化銅也非常穩(wěn)定 , 若沒有其 他因素存在 ,僅憑加熱破壞氧化銅的化學(xué)鍵 ,那只有 在超過 1273K 時,氧化銅才有可能釋放出氧 ,變成氧 化亞銅 .由于這兩種

8、反應(yīng)物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 ,使碳還原氧化 銅的變化具有高的活化能 .加之 ,這個反應(yīng)是固體間 的反應(yīng) ,變化只能在其表面上進(jìn)行 ,這更增加了反應(yīng) 的困難程度 .不過 ,在經(jīng)過研磨碳粉和氧化銅的晶體 表面后 ,使大量原子的化學(xué)鍵不飽和 ,具有很高的化 學(xué)活性 .所以在加熱過程中 ,盡管整個反應(yīng)體系不能 觀察到激烈的反應(yīng)現(xiàn)象 ,但仍有一些反應(yīng)物發(fā)生變 化 ,如在黑色的粉末里有一些紅色物質(zhì) ,并能觀察到 澄清石灰水變渾濁 ,說明是有 C02 和銅單質(zhì)生成 . 三,碳還原氧化銅反應(yīng)放出熱量的事實 近年來 ,不少中學(xué)化學(xué)教學(xué)輔導(dǎo)材料對碳還原氧 化銅產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行了描述和補(bǔ)充 .筆者在實驗教學(xué) 中,對這實驗進(jìn)行了多

9、次實踐與研究 ,結(jié)論是 ,控制好 實驗條件 ,能使碳和氧化銅的反應(yīng)劇烈地發(fā)生 ,能比 較明顯地觀察到以下兩個現(xiàn)象 :1. 對木炭和氧化銅的混合物加熱一定時間后 （短的 3 分種,長的要 lO 分鐘左右 ),部分反應(yīng)物開始燃 燒 .此時移走酒精燈 ,燃燒仍會繼續(xù) ,幾秒鐘后燃燒完 全,反應(yīng)停止 .燃燒本身就是發(fā)光發(fā)熱的現(xiàn)象 ,燃燒開 始后 ,停止加熱而燃燒繼續(xù) ,則證明了反應(yīng)放出的熱 量,足以使還未反應(yīng)的混合粉末的溫度升高到燃燒所 需要的溫度 ,促使反應(yīng)完全 .2. 將碳和氧化銅反應(yīng)生成的固體產(chǎn)物在封閉狀 態(tài)下冷卻后取出觀察 ,發(fā)現(xiàn)各次實驗所得到的固體產(chǎn) 物的形態(tài)各不相同 ,可以分為三種情況 :

10、紫紅色銅 片，錒片有部分光亮的表面，性硬，擠壓不爛；紫紅 色銅珠 ,堅硬光亮 ,在一次實驗中可同時得到幾粒至 十幾粒;整個反應(yīng)混合物燒結(jié)成一整塊，顏色為紅 色到暗紅 ,光澤不好 ,加壓易碎 ,但不能壓成粉狀 . 本實驗取用的木炭和氧化銅 ,均被研磨成了極細(xì) 的粉末 ,反應(yīng)后變成了銅塊或銅珠 ,說明該反應(yīng)生成 的銅起碼有一部分經(jīng)過了熔融過程.這個過程絕對不可能用酒精燈的火焰溫度來加熱實現(xiàn)的,而只有可能是反應(yīng)本身放出了較多的熱量 ,而且這熱量又被產(chǎn)物 銅有效地吸收 .這有力的說明了碳還原氧化銅有放熱 現(xiàn)象 ,屬于放熱反應(yīng) .綜上所述 ,控制實驗條件 ,進(jìn)行成功的實驗 ,使學(xué) 生清晰地觀察到有金屬光

11、澤的銅片或銅珠的生成,從94而對反應(yīng)的產(chǎn)物有更科學(xué)的印象 ,認(rèn)識到碳還原氧化 銅放出熱量的事實 .四,碳還原氧化銅劇烈進(jìn)行的控制條件 . 使碳還原氧化銅能夠劇烈的進(jìn)行 ,應(yīng)當(dāng)創(chuàng)造和具 備如下的基本條件 :1. 反應(yīng)物的取量 .若碳和氧化銅均能完全反應(yīng) , 則加熱時提供的熱量及反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量的利用率 最高 ,劇烈反應(yīng)的可能性最大 .按理論計算 ,碳與氧化 銅的質(zhì)量比為 l:13.3 時,兩反應(yīng)物剛好完全反應(yīng) . 但是 ,由于下面兩個因素 ,碳應(yīng)適當(dāng)過量 :實驗中取 用的是木炭，其中含有鹽和某些金屬氧化物雜質(zhì)： 要使氧化銅中的銅被充分的還原出來 ,碳也需要稍微 過量.實踐經(jīng)驗的比值是 l:10.

12、5 左右,反應(yīng)效果較 好.并且要注意 ,木炭在稱量之前 ,應(yīng)該進(jìn)行烘干 ,除 去吸附的水分 ,這樣既可以減少取量的誤差 ,也有利 于反應(yīng)的發(fā)生 .2. 反應(yīng)物的研磨和混勻 .碳還原氧化銅 ,是固體物質(zhì)間的反應(yīng) ,因此,總的表面積大小 ,固體物質(zhì)間的 均勻程度 ,是影響反應(yīng)速度的重要因素 .固體物質(zhì)磨 得越細(xì) ,總的表面積越大 ,活化分子間的碰撞機(jī)會越多 反應(yīng)物之間的分子有效碰撞的幾率越大,反應(yīng)越快 .本實驗中 ,應(yīng)將適量的木炭和氧化銅粉末放入研 缽內(nèi),進(jìn)行充分的研磨和攪和 ,使其在研磨和攪和過 程中得到充分的混勻 .實踐證明 ,若認(rèn)真地作了這道 操作工序 ,即便是使用普通酒精燈加熱混合物,也能

13、明顯地觀察到燃燒的現(xiàn)象 .否則只有用酒精噴燈進(jìn)行 強(qiáng)熱 ,才能使反應(yīng)進(jìn)行得比較完全 . 另外,研細(xì),混勻的作用 ,不僅能使反應(yīng)迅速地發(fā) 生,劇烈地進(jìn)行 .還可以使生成的 銅成為很細(xì)小的 顆粒.這些細(xì)小顆粒的熔化溫度比較低 ,加上實驗過 程反應(yīng)速度快 ,放出的熱量散失少 ,能更有效地被生 成物吸收 ,使銅熔化 （凝成小銅珠 ）成為可能 .3. 酒精燈火焰旺盛穩(wěn)定 .在反應(yīng)過程中 ,應(yīng)使整個反應(yīng)混合物處在酒精燈火焰的包圍中,比較均勻而快速地獲得熱量 ,使反應(yīng)物的溫度得到比較一致地升 高 .當(dāng)反應(yīng)在一個點發(fā)生時 ,就能較快蔓延開 ,使反應(yīng) 進(jìn)程縮短 .反應(yīng)體系的溫度迅速升高 ,導(dǎo)致反應(yīng)劇烈 , 產(chǎn)生燃燒 ,產(chǎn)物銅也就在劇烈反應(yīng)的高溫中被燒熔而 凝成銅塊或銅珠 .參考文獻(xiàn)1.北京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室等編無機(jī)化 學(xué) .（高等教育出版社 1988）2.天津大學(xué)物理化學(xué)教研室編物理化學(xué) .（高 等教育出版社 1985）3. 陳耀亭 ,王繼慧 ,王佐平等編基礎(chǔ)化學(xué)實驗大 全U（科學(xué)普及出版社1988）