正交法測(cè)定木炭還原氧化銅的最佳實(shí)驗(yàn)條件報(bào)告書

1、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案報(bào)告書開課學(xué)期 2014 至 2015 學(xué)年第 2 學(xué)期實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：井娟、李娜、李穎、劉絲路指導(dǎo)教師：楊國(guó)萍學(xué)號(hào)： 12060141009 、12060141011 12060141014、12060141015 專業(yè)：化學(xué)班級(jí)：化學(xué)教育完成日期： 2015 年 4 月 16 日實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：正交實(shí)驗(yàn)法探究木炭還原氧化銅最佳實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)計(jì)劃學(xué)時(shí)數(shù)： 8 課時(shí)學(xué)分?jǐn)?shù)：所屬課程：化學(xué)教學(xué)論課程性質(zhì)：探究實(shí)驗(yàn)所屬實(shí)驗(yàn)室：教法實(shí)驗(yàn)室起止時(shí)間：第 7-8 周一、文獻(xiàn)綜述碳還原氧化銅是初中化學(xué)教材中的一個(gè)重要而又難做成功的演示實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的目的是向?qū)W生直觀說明 :

2、 單質(zhì)的碳也像氫氣一樣 , 具有還原性 , 在較高的溫度下它能奪取某些氧化物里的氧 , 使其發(fā)生還原反應(yīng)。該實(shí)驗(yàn)成功的現(xiàn)象表現(xiàn)在三個(gè)方面: ( 1) 澄清石灰水變渾濁 ; ( 2) 反應(yīng)有著紅熱現(xiàn)象 ; ( 3) 有光亮的塊狀銅生成。按照義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書初中化學(xué) 實(shí)驗(yàn) 6- 2 的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn) , 該實(shí)驗(yàn)成功率低 , 并且還原產(chǎn)物往往成磚紅色粉末狀, 得不到有金屬光澤的亮紅色銅塊, 達(dá)不到該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的。有資料指出，其實(shí)這種磚紅色物質(zhì)是氧化亞銅而不是銅。但反應(yīng)失敗時(shí)有的實(shí)驗(yàn)者將磚紅色的氧化亞銅當(dāng)作銅，致使學(xué)生產(chǎn)生誤解，影響了對(duì)反應(yīng)實(shí)質(zhì)的把握。有許多化學(xué)教學(xué)工作者都對(duì)這一反應(yīng)進(jìn)行了探

3、索，對(duì)各因素的影響也已進(jìn)行了大量研究，但側(cè)重于單一參數(shù)變化對(duì)反應(yīng)的影響。而各種因素對(duì)反應(yīng)的影響大小不同，每種因素又可以有不同水平，這些因素水平之間又相互制約，因而簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)并不能揭示各因素影響的大小。因此本實(shí)驗(yàn)通過正交設(shè)計(jì)法對(duì)反應(yīng)進(jìn)行探索，欲找到此反應(yīng)中各因素影響的大小及此反應(yīng)的最佳實(shí)驗(yàn)條件。一、火焰溫度。不同的溫度下反應(yīng)結(jié)果不同，采用酒精燈罩改變火焰溫度二、是選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)物質(zhì)量比， 木炭和氧化銅的比例是關(guān)鍵。 按反應(yīng)方程式計(jì)算，木炭和氧化銅的比例是1:13.2 ，考慮到木炭含有雜質(zhì)，木炭應(yīng)過量20% ，因此采用大約1:10 的比例。三、研磨時(shí)間。因?yàn)槟咎亢脱趸~都是固體，研磨時(shí)間不同，顆粒大

4、小就不同，接觸的表面積就不同，因此采用改變研磨時(shí)間來改變接觸面積。參考文獻(xiàn)：1 陳達(dá)輝 , 龍光宇 . 碳還原氧化銅的改進(jìn) j. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器, 1994, 6 (8): 41. 2 董耀華 . 碳還原氧化銅的實(shí)驗(yàn)探討與改進(jìn) j . 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn), 2000, 4 (11): 7. 3 王錦化 , 李暉 , 孫張珂 , 等. 高師實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究中碳還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的重新設(shè)計(jì) j. 高校實(shí)驗(yàn)室工作研究 , 2005, 12: 6-9. 4 錢亞兵 , 鮑正榮 . 碳還原氧化銅實(shí)驗(yàn)研究 j. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器, 2003, 2 (9): 15- 17 5 李建生 , 化學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn),2003,(8)

5、:31 6 楊紹武 , 化學(xué)教育 ,2009,30 （ 4）;72 二、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)（一）知識(shí)與技能 (1) 通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)木炭單質(zhì)的還原性及該實(shí)驗(yàn)的原理和操作技能； (2)了解正交實(shí)驗(yàn)法的簡(jiǎn)單應(yīng)用，通過對(duì)本實(shí)驗(yàn)的研究進(jìn)一步培養(yǎng)研究、改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力。（二）過程與方法 (1)通過一系列基本操作進(jìn)一步掌握基本操作及相關(guān)注意事項(xiàng)； (2)通過正交實(shí)驗(yàn)法探究本實(shí)驗(yàn)成功的最優(yōu)化方案。（三）情感態(tài)度與價(jià)值觀產(chǎn)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的熱愛，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，感受科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程和所運(yùn)用的方法，發(fā)展相互交流，共同協(xié)作的科學(xué)精神，初步具備創(chuàng)新意識(shí)。三、實(shí)驗(yàn)儀器與試劑1. 表 1 實(shí)驗(yàn)儀器名稱型號(hào)規(guī)格數(shù)量大試管

6、25mm*200mm 兩個(gè)鐵架臺(tái)帶鐵夾一個(gè)玻璃導(dǎo)管90兩個(gè)分析天平y(tǒng)p610n 一個(gè)膠塞4#單孔一個(gè)火柴一盒研缽配套研磨棒一個(gè)酒精燈一個(gè)酒精燈罩粗細(xì)網(wǎng)各一個(gè)橡膠管10cm 一個(gè)止水夾一個(gè)長(zhǎng)柄藥匙兩個(gè)細(xì)銅絲200cm，400cm 各一個(gè)烘箱101a-1e 一個(gè)2. 表二實(shí)驗(yàn)試劑四、實(shí)驗(yàn)原理碳是一種具有還原性的非金屬。在一定條件下， 木炭具有還原性， 能在加熱的條件下奪取氧化銅中的氧， 使金屬氧化物還原為單質(zhì)， 炭則生成炭的氧化物。 反應(yīng)方程式為：c+2cuo=co2+2cu， 反應(yīng)條件為高溫。該反應(yīng)是固體與固體的反應(yīng)，接觸不夠充分，所以需要增大反應(yīng)物的接觸面積，所以要把混合物充分研磨。而要觀察到

7、二氧化碳?xì)怏w需要新制的澄清石灰水裝置，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體用澄清石灰水檢驗(yàn)后若變渾濁，則有二氧化碳生成： c02+ca(oh)2=caco3+h2o。但影響該實(shí)驗(yàn)的因素多達(dá)十幾種，如碳和氧化銅的配比、碳和氧化銅的類型、反應(yīng)藥品干燥程度、 反應(yīng)混合物用量、 反應(yīng)溫度、反應(yīng)器類型、 反應(yīng)混合物粒度及混合程度、藥品填裝方式、反應(yīng)物堆積形態(tài)等。本實(shí)驗(yàn)通過正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)木炭還原氧化銅的最佳實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行探究找出影響實(shí)驗(yàn)的主要因素（火焰溫度，木炭和氧化銅的質(zhì)量比，反應(yīng)研磨時(shí)間、烘干時(shí)間），并得到最佳方案。表 1 因素水平表mc:mcuo a 火焰溫度b 研磨時(shí)間/min c 烘干時(shí)間 /h d 1 1:10 酒精燈

8、0 0 2 1:12 酒精燈 +細(xì)網(wǎng)罩5 0、5 3 1:14 酒精燈 +粗網(wǎng)罩10 1 表 2 實(shí)驗(yàn)安排表實(shí)驗(yàn)序號(hào)mc:mcuo a 火焰溫度b 研磨時(shí)間 c 烘干時(shí)間d 1 a1 b1 c1 d1 名稱規(guī)格數(shù)量木炭一瓶氧化銅一瓶澄清石灰水一瓶因素水平2 a1 b2 c2 d2 3 a1 b3 c3 d3 4 a2 b3 c2 d1 5 a2 b2 c1 d3 6 a2 b1 c3 d2 7 a3 b2 c3 d1 8 a3 b3 c1 d2 9 a3 b1 c2 d3 五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容5.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作將儀器在 120烘箱中干燥 1h。將炭研細(xì)，備用。5.2 檢驗(yàn)裝置的氣密性。如下圖安裝好

9、儀器， 用手捂住試管， 觀察導(dǎo)管處有氣泡冒出， 松開試管并稍等片刻，觀察到導(dǎo)管有一小段上升的水柱，證明裝置氣密性良好。5.3 設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表，按表格進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。5.4 反應(yīng)物的稱取。按表格所給的比例稱取木炭和氧化銅粉末，先將純木炭裝入試管底部，在裝入氧化銅粉末，混合后壓緊并夯實(shí)。按所給條件選取適當(dāng)溫度進(jìn)行加熱。5.5 在右側(cè)試管中加入30ml 澄清石灰水，點(diǎn)燃酒精燈，加熱。片刻后將導(dǎo)管深入澄清石灰水液面下。開始反應(yīng)。5.6 待石灰水中沒有氣泡冒出至反應(yīng)完畢后，先用彈簧夾家住導(dǎo)氣管的膠皮管，圖 1 木炭還原氧化銅裝置圖再撤去澄清石灰水中的導(dǎo)管，最后熄滅撤去酒精燈。待裝置冷卻后，拆分實(shí)驗(yàn)裝置。5.7

10、 洗滌儀器，放回原位。六、結(jié)果與討論1、實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄序號(hào)試管內(nèi)現(xiàn)象燒杯內(nèi)現(xiàn)象評(píng)分1 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水變渾濁 64 2 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水變渾濁 69 3 小部分是 cu 澄清石灰水變渾濁 79 4 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水變渾濁 66 5 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水變渾濁 60 6 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水變渾濁 68 7 小部分是 cu 澄清石灰水變渾濁 70 8 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 澄清石灰水變渾濁 60 9 無光亮的 cu ，大部分是 cu

11、2o 澄清石灰水變渾濁 63 2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)分結(jié)果全部生成光亮的銅，無cuo 、c和 cu2o 100 幾乎全部有生成光亮的銅，稍有cuo 和 cu2o 90-99 大部分是 cu 80-89 小部分是 cu 70-79 無光亮的 cu ，大部分是 cu2o 60-69 3、正交實(shí)驗(yàn)法探究木炭與氧化銅實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理容易看出，影響因素的主次順序?yàn)閏abd。即研磨時(shí)間木炭與氧化銅質(zhì)量比火焰溫度烘干時(shí)間。經(jīng)過上圖可直觀比較各因素的k1,k2 和 k3，可以看出，對(duì)木炭與氧化銅質(zhì)量比， 最好的實(shí)驗(yàn)編號(hào)影響因素結(jié)果評(píng)分a b c d 1 a1 b1 c1 d1 64 2 a1 b2 c2

12、 d2 69 3 a1 b3 c3 d3 79 4 a2 b3 c2 d1 66 5 a2 b2 c1 d3 60 6 a2 b1 c3 d2 68 7 a3 b2 c3 d1 70 8 a3 b3 c1 d2 60 9 a3 b1 c2 d3 63 k1 212 195 184 200 k2 194 199 198 197 k3 193 205 217 202 k1 70.6 65.0 61.3 66.6 k2 64.6 66.3 66.0 65.6 k3 64.3 68.3 72.3 67.3 r 6.3 3.3 11.0 1.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為 a1，對(duì)火焰溫度最好實(shí)驗(yàn)結(jié)果為b3，對(duì)研磨時(shí)間最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為c3 ，對(duì)木炭烘干時(shí)間最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為d3。 因此綜合九次實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看， 木炭還原氧化銅的最好實(shí)驗(yàn)條件為a1.b3.c3.d3，也就是木炭與氧化銅質(zhì)量比為1：10，火焰加熱溫度為酒精燈加粗網(wǎng)罩，研磨時(shí)間為10min，木炭烘干時(shí)間為1h。七、實(shí)驗(yàn)中可能存在的問題及解決方法6.1 反應(yīng)完畢加熱不能立即停止，應(yīng)逐漸停止加熱，否則因冷卻而進(jìn)如試管的氧氣會(huì)重新氧化產(chǎn)物銅的表面，使其顏色發(fā)暗。6.2 本實(shí)驗(yàn)加熱的