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(jí)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(shí)驗(yàn) ,該實(shí)驗(yàn)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(tái)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(shí)驗(yàn)裝置參見下 圖） C 清 灰水 實(shí)驗(yàn)后,教材初次提出了 "吸熱現(xiàn)象 "和"放熱現(xiàn) 象"兩個(gè)概念 ,

2、這就使碳還原氧化銅的熱效應(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(gè)問題 . ,碳還原氧化銅的焓變?yōu)樨?fù)值 碳還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)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(gè)化學(xué)反應(yīng)的焓變 ,可用下面的 公式進(jìn)行計(jì)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

3、發(fā)生兩種化學(xué)變 化: ⑴CuO(s)+C(s) — Cu(s)+CO(g) (2)2CuO(s)+C(s) — 2CLI(S)+CO2rg) 查表知,在 298K 時(shí), △ H?(CuO,s)——157.3kJ?tool — △ H?(CO,g)——1l0kJ?tool △ H}(C02,g) 一 -393.5kJ?tool 而本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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)} —

4、 {△ H?(CuO,s)+AH}(C,s)} 一{一 1l0kJ?tool 斗 0kJ?tool} 一 {一 157.3kJ?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(shí)，通過上述公式算出△ H0 —— 78.9kJ?mol —. 在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí) ,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(shí),o0在該 溫度下與 CuO 的反應(yīng)就容易而且快多了 .實(shí)驗(yàn)事實(shí)也 證明 ,碳與氧化銅反應(yīng)的主要產(chǎn)物不是 00,而是

5、(). 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 溶液的水槽中 ,試 管內(nèi)液面會(huì)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(jì)算結(jié)果是：AH. — 78.9kJ?tool?.這表明，在 289K 時(shí)每 2toolCuO 與 1toolC 轉(zhuǎn)變成 2toolCLl 和 1toolCO2 后,體系需 要向環(huán)境

6、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(gè)放熱反應(yīng) ,為什么長(zhǎng) 時(shí)間加熱 ,反應(yīng)現(xiàn)象仍不明顯 ?的確,按教材上的實(shí) 驗(yàn)方案,將反應(yīng)物混合長(zhǎng)時(shí)間加熱后 ,只能以澄清石 灰水變渾濁來證實(shí)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(shí)經(jīng)常是含有一部分氧化亞銅 ).整 個(gè)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(shí)際上 ,一個(gè)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(jiǎn)單地

7、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(shí) ,或者反應(yīng)開始后體系損失的熱量大 于反應(yīng)放出的熱量 ,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(shí)驗(yàn)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(gè)對(duì)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(shí)質(zhì)上有著石墨的晶體結(jié)構(gòu) ,其熔

8、點(diǎn)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(shí),氧化銅才有可能釋放出氧 ,變成氧 化亞銅 .由于這兩種反應(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(gè)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(gè)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

9、 ,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(shí) 近年來 ,不少中學(xué)化學(xué)教學(xué)輔導(dǎo)材料對(duì)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(shí)驗(yàn)教學(xué) 中,對(duì)這實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多次實(shí)踐與研究 ,結(jié)論是 ,控制好 實(shí)驗(yàn)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(gè)現(xiàn)象 : 1. 對(duì)木炭和氧化銅的混合物加熱一定時(shí)間后 （短 的 3 分種,長(zhǎng)的要 lO 分鐘左右 ),部分反應(yīng)物開始燃 燒 .此時(shí)移走酒精燈 ,燃燒仍會(huì)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

10、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(shí)驗(yàn)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 :①紫紅色銅 片，錒片有部分光亮的表面，性硬，擠壓不爛；②紫紅 色銅珠 ,堅(jiān)硬光亮 ,在一次實(shí)驗(yàn)中可同時(shí)得到幾粒至 十幾粒;③整個(gè)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(shí)驗(yàn)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(gè)過程絕對(duì)不 可能用酒精燈的火焰溫度來加熱

11、實(shí)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(shí)驗(yàn)條件 ,進(jìn)行成功的實(shí)驗(yàn) ,使學(xué) 生清晰地觀察到有金屬光澤的銅片或銅珠的生成 ,從 94 而對(duì)反應(yīng)的產(chǎn)物有更科學(xué)的印象 ,認(rèn)識(shí)到碳還原氧化 銅放出熱量的事實(shí) . 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(shí)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(jì)算 ,碳與氧化

12、 銅的質(zhì)量比為 l:13.3 時(shí),兩反應(yīng)物剛好完全反應(yīng) . 但是 ,由于下面兩個(gè)因素 ,碳應(yīng)適當(dāng)過量 :①實(shí)驗(yàn)中取 用的是木炭，其中含有鹽和某些金屬氧化物雜質(zhì)：② 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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的比值是 l:10.5 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

13、撞機(jī)會(huì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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 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(shí)驗(yàn)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

14、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(gè)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(gè)點(diǎn)發(fā)生時(shí) ,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(shí)驗(yàn)大 全U》?（科學(xué)普及出版社1988）