以木炭還原氧化銅探究固相反應(yīng)機(jī)理及反應(yīng)條件

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1、以木炭還原氧化銅探究固相反應(yīng)機(jī)理及反應(yīng)條件10化學(xué)教學(xué)２００９年，第８期留５ｃｍ銅線（銅線能伸至燈底），銅線能將熱量傳遞給燈內(nèi)酒精，使燈內(nèi)酒精加速汽化。４使用方法不加螺線管時(shí)做普通酒精燈用。圖２中為只穿有銅管的酒精燈?；鹧姹韧?guī)格酒精燈火焰略小。用坩堝鉗將螺線管通過(guò)細(xì)銅管加到酒精燈上，火焰溫度比普通酒精燈有明顯提高，如圖３所示，火焰明顯變大，火焰更加集中?？捎糜跍囟容^高的加熱，用完后用坩堝鉗取下螺線管置于石棉網(wǎng)上，用燈帽蓋滅酒精燈。５對(duì)比實(shí)驗(yàn)用相同的燒杯和石棉網(wǎng)加熱５０ｇ水至沸騰，用高效節(jié)能酒精燈加熱用時(shí)為１４，１５ｍｉｎ；而用同樣規(guī)格普通酒精燈加

2、熱，用時(shí)為１６．２５ｒａｉｎ。故該酒精燈能夠節(jié)約時(shí)間及酒精燃料。圖３以木炭還原氧化銅探究固相反應(yīng)機(jī)理及反應(yīng)條件衛(wèi)澤敏‘10。吳先強(qiáng)。（華東師范大學(xué)化學(xué)系，上海２０００６２）中圖分類號(hào)：Ｇ６３３．８文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ｃ文章編號(hào)：１００５－－６６２９（２００９）０８－－００４８－－０２木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)教材中固相反應(yīng)的典型代表之一，該實(shí)驗(yàn)因成功率低而被廣泛討論．如反應(yīng)物的質(zhì)量比、反應(yīng)物研和程度、反應(yīng)溫度甚至試管大小都影響該實(shí)驗(yàn)的效果【”。狹義地講，固相反應(yīng)（ＳｏｌｉｄｓｔａｔｅＡＢ形成后反應(yīng)要繼續(xù)進(jìn)行．就必須有Ｂ通過(guò)產(chǎn)物層擴(kuò)散到Ａ—ＡＢ的界面才能與

3、Ａ反應(yīng)生成ＢＡＢ。其中通過(guò)產(chǎn)物層的擴(kuò)散速度最慢。決定著整個(gè)反應(yīng)的速度。而晶體結(jié)構(gòu)缺少對(duì)稱性或圖１Ｂｒｅａｃｔｉｏｎ）是固體與固體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的固體產(chǎn)物的過(guò)程。如燃燒石灰石、氯酸鉀分解等。本文從狹義的概念來(lái)討論固相反應(yīng)。１固相反應(yīng)的微觀模型固相反應(yīng)機(jī)理較氣相或液相反應(yīng)復(fù)雜。通常包Ｂ固體粉末反應(yīng)的擴(kuò)散模型結(jié)構(gòu)具有缺陷的地方容易成為初始反應(yīng)的核心。綜上，從固相反應(yīng)微觀機(jī)理分析可知，反應(yīng)物的晶體結(jié)構(gòu)、粒度、比表面積、反應(yīng)溫度是影響固相反應(yīng)的主要因素。正如在木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。木炭和氧化銅的干燥程度、研和程度、質(zhì)量比、堆積形態(tài)、加熱燈具等均對(duì)

4、反應(yīng)進(jìn)程和反應(yīng)速度產(chǎn)生作用。２固相反應(yīng)的熱力學(xué)研究熱力學(xué)通過(guò)考慮反應(yīng)的自由能變化來(lái)判定該反應(yīng)能否發(fā)生，耳ＰＡＧ＜０的反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行。經(jīng)計(jì)算，括以下基本步驟｛２１：①吸附和解吸；②界面上原子間反應(yīng)；③在界Ｊｌｉ＿ｌ：或內(nèi)部形成新物相的核；④10物質(zhì)通過(guò)界面輸送。在各步中，往往有某一個(gè)反應(yīng)步驟進(jìn)行得比較慢。整個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速度就受這一步反應(yīng)所控制，叫做控速步驟。固體粉末反應(yīng)大部分是擴(kuò)散控制的反應(yīng)。Ｊａｎｄｅｒ（楊德爾１首先提出了固體粉末反應(yīng)的擴(kuò)散模型ｐ】。他對(duì)反應(yīng)體系做了一些簡(jiǎn)化處理，設(shè)想反應(yīng)物Ａ是半徑為ｒ的球形顆粒。其分散在連續(xù)的反應(yīng)物Ｂ的介質(zhì)中，并假

5、定在Ａ微粒的表面上產(chǎn)生厚度為ｘ的產(chǎn)物層（ＡＢ），如圖１所示。因此物質(zhì)的傳遞輸送是沿著Ａ與Ｂ的接觸點(diǎn)進(jìn)行相互擴(kuò)散。產(chǎn)物層’系華東師范大學(xué)課程論碩士生。２５℃木炭還原氧化銅反應(yīng)的△日。一２３６．２ＡＳ’＝１８９．７５ｋＪ?ｍｏｌ一．Ｊ?ｋ＿?ｔｏｏｌ～，由ＡＧ＝ＡＨ一弛５知。該反10應(yīng)常溫下ＡＧ＜Ｏ．也就是說(shuō)木炭還原氧化銅在室溫下即可發(fā)生。但實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)。該反應(yīng)在常溫下２００９年，第８期實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新思維４９反應(yīng)速度極慢，無(wú)明顯反應(yīng)現(xiàn)象。通常為使該反應(yīng)以顯著速度發(fā)生，必需將其加熱到一定溫度。充分說(shuō)明熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩種因素在固相反應(yīng)中都極為重要［４１。３關(guān)

6、于固相反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)從熱力學(xué)性質(zhì)來(lái)講．木炭還原氧化銅的反應(yīng)在常溫下即可發(fā)生。然而實(shí)際上，為什么該反應(yīng)對(duì)溫度確有一定的要求呢?？蓮膱D２的簡(jiǎn)單圖示得到說(shuō)明。從固相反應(yīng)機(jī)理看，反應(yīng)的第一階段是在木炭和氧化銅的界面上（ａ，ｂ圖中的虛線）生成金屬銅晶核，實(shí)現(xiàn)這步是相當(dāng)困難的，因?yàn)樯傻木Ш私Y(jié)構(gòu)與反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)不同。因此，成核反應(yīng)需要通過(guò)反應(yīng)物界面結(jié)構(gòu)的重新排列．其中包括結(jié)構(gòu)中化學(xué)鍵的斷裂和重新結(jié)合，Ｃ和ＣｕＯ晶格中Ｃ（原子）和Ｃｕｚ＋的脫出、擴(kuò)散和進(jìn)入缺位。加熱有利于這些過(guò)程的進(jìn)行和晶格的生成。同樣。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在晶核上的晶體生長(zhǎng)也有一定困難．因?yàn)樵现械模煤停茫?/p>

7、ｚ＋需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)界面的擴(kuò)散才有可能在核上發(fā)生晶體生長(zhǎng)反應(yīng)，并使產(chǎn)物層增厚，如圖２（ｂ）所示?？梢?，決定此反應(yīng)的控制步驟應(yīng)是晶格中微粒的擴(kuò)散，而加熱有利于離子或原子的擴(kuò)散，可明顯地提高反應(yīng)速度。能參加反應(yīng)，且隨著生成物的增多兩物質(zhì)問(wèn)直接接觸的面積減少，因此反應(yīng)物的實(shí)際用量大于理論值。木炭粉與氧化銅粉末混和后再充分研磨，研磨越細(xì)且混和越均勻。反應(yīng)物顆粒間的接觸面積越大，則反應(yīng)界面越大，反應(yīng)速度可明顯地提高。在下述兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)中得以充分證明。裹１反應(yīng)物研和程度影響反應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究組別實(shí)驗(yàn)條件控制條件研磨時(shí)間（分）加熱時(shí)間（分）反應(yīng)物發(fā)紅．明顯放熱現(xiàn)象反

8、應(yīng)描述10烘干的木炭粉與氧化銅粉末ｌ以１：９質(zhì)量比初步混和后．放人研缽……．２２０３最后裝入小試管壓實(shí)．酒精燈加熱。不研磨