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第6章 一氧化碳的相关实验(2)

改进后的实验,CO用量很少,250mlCO可做10次左右,反应器小,易受热、升温快,现象出现迅速,形成紫色光亮铜镜现象明显,CO气流速度控制自如,有害尾气不到原来的十分之一,整套装置巧便于课堂演示。若将反应器改用短试管(装置图如下)做实验,效果也很好。另外该装置还可做H2还原CuO的实验。

一氧化碳还原氧化铜或氧化铁

初中化学课本有CO还原CuO的实验,高中化学课本有CO还原Fe2O3的实验,但实验装置麻烦,课前准备和课堂演示实验费时较长,实验时不够安全,未反应的CO直接排放在空气中,会污染环境、损害师生的健康。所以对该实验进行了四点改进:一是在试管中用甲酸和浓硫酸制取CO。二是用水浴加热甲酸和浓硫酸的混合物。三是用在酒精灯上加热螺旋状铜丝的方法制取CuO代替CuO粉末,用生锈的铁丝代替Fe2O3粉末。四是为减少环境污染将尾气点燃,实验结束后用冷水冷却甲酸与浓硫酸的混合物。改进后的实验操作方便、现象明显、安全可靠、减少污染,演示实验的时间比课本上的方法可节省一半。

准备工作:将从细导线中抽出(去塑料包皮)的多股铜丝10厘米绕成螺旋状,用镊子夹住在酒精灯火焰上灼烧片刻,亮紫红色的铜丝表面便生成一层黑色的CuO。若作CO还原Fe2O3的实验,可预先把生锈的干燥的铁丝卷成螺旋状备用。

操作过程:先将表面有CuO的铜丝,用一根细铜丝系着,放入A管一边的玻璃导管中,用橡皮管与B管一边上方的导管连接好,使螺旋状铜丝恰好位于B管一边下方导管口的上方,再将澄清石灰水加入B管中,最后在A管中先加入10ml浓硫酸,再加入5ml甲酸并在C锥形瓶内加入约80℃的热水,在D锥形瓶内加入冷水,按照上述装置图安装好全套装置。因A管中的混合物被热水加热,反应速度越来越快,生成的CO气体从澄清石灰水中冒出,石灰水不变浑浊,黑色的CuO或红褐色的Fe2O3颜色不变。一分钟后,将酒精灯火焰接触排放尾气的管口,导管口有浅蓝色火焰,这是CO在燃烧,将酒精灯火焰对准螺旋铜丝固定加热,约一分钟,发现石灰水逐渐变浑浊,原来表面有黑色CuO铜丝逐渐变为亮紫红或原表面有红褐色Fe2O3的铁丝逐渐变为黑色。

实验装置图当金属丝完全变色后,将A、B管连同导管一起拔出,对调位置,即将A管塞入D锥形瓶冷水中,将B管塞入C锥形瓶的热水中,由于甲酸与浓硫酸的混合物被冷水降温反应慢慢停止。

三点说明:

①甲酸与浓硫酸的反应是:

HCOOH浓H2SO460~30℃CO↑+H2O……①HCOOH160℃CO2↑+H2↑……②①式是甲酸与浓硫酸共热脱水而制得CO,而②式是甲酸加热到160℃以上,则分解成CO2和H2。若用酒精灯直接加热,温度一般在100℃以上,因此,尽管CuO和Fe2O3会被还原,但那是H2的作用,决不是CO的作用,同时澄清的石灰水在一开始就会变浑浊。用80℃左右的热水加热,则可保证反应按①式进行。

②反应结束时,将A、B试管对调,在冷水作用下:产生CO气体速度渐渐变慢既能保证热的铜丝在还原气中渐渐冷却,防止被空气中的氧气氧化,又可有效地避免环境污染。

③螺旋状铜丝从导管中通过一根细铜丝方便的取出后,可继续使用。

CO还原CuO实验的补充

关于CO还原CuO后所生成的CO2不倒流,用甲酸制取CO时无CO2生成的问题,上海市南市区第一职工业余中学龚经纶、徐道荣老师述于后:

1.还原生成的CO2会倒流:

实验证明CO还原CuO生成的CO2会倒流,而使(A)管中澄清的石灰水浑浊。要使生成的CO2不倒流,还应在装置中增加连接一单向导气管装置如下:在(A)管与(B)之间连接一单向导气管作法:取7mm粗(粗细以连接需要而定),45mm长的橡皮管,用7mm粗,20mm长的竹管,将一端削成斜面(a图),在斜面上扎一片橡皮(b图),将此竹管放入橡皮管中间,即成单向导气管,连接在(A)(B)管之间如装置图。

(图a)(图b)在连接前,先试一下是否起单向导气作用。连接时注意把竹管斜面向上(竹管有斜管这端接(B)管端),这样当CO流过时由于CO气流使竹管斜面上的橡皮掀起而通过,无CO通过时橡皮下落而CO2则不能通过,起了单向导气作用,增加此装置后避免了生成的CO2使(A)管中澄清石灰水变浑浊。

2.用甲酸制CO时无CO2生成:

若制CO时有CO2生成,则(A)管中澄清石灰水溶液也浑浊,所以还必须注意在制CO时无CO2生成。

用甲酸制纯CO时不宜先预热甲酸,其反应如下:HCOOH浓H2SO460°~80℃CO+H2O(1)

HCOOH160℃CO2+H2(2)

(1)式是甲酸与浓H2SO4共热脱水而制得CO,而(2)式是甲酸加热160℃以上即分解成CO2和H2,制取时,若先预热甲酸,尤其是加热到160℃以上再混合浓H2SO4,这时所制CO中就含有CO2,因而会使(A)管中澄清的石灰水浑浊。

顺便提一下,若先预热H2SO4,切忌不要预热温度过高,尤其温度超过300℃时,再加入大量的甲酸(如20ml左右),这时反应速度迅速,短时间生成大量的CO而来不及排出(不管是接在还原CuO的装置或储气瓶上都一样),致使CO装置上装有分液漏斗的橡皮塞冲掉,而使CO扩散出来,甲酸与H2SO4混合液也冲出。扩散的CO遇到加热的酒精灯火焰的燃烧,冲出的混合液,继续反应生成CO也燃烧,这样发生了事故,不仅有伤人的可能,而且若处理不及时,还会引起火灾。因此在制CO时应按反应中掌握加热温度,若无把握,最好加装温度计控制温度为宜。

CO性质检验的联合装置

1.装置如图:(下页)

1玻璃管,2干燥管,3T形管,4、5夹子,6气球

2.实验操作步骤:甘肃省华亭一中伏晓军老师介绍为:

按上图要求配好装置和药品。

(1)CO的可燃性实验操作:

按上图装置,先撤离酒精灯,关闭夹子5,打开夹子4。先通入纯净CO一段时间后,在A处点燃并观察火焰,然后在其火焰上罩一蘸有澄清石灰水的烧杯,观察石灰水变化(石灰水变浑浊)。

(2)CO还原性实验操作:

关闭夹子4,打开夹子5。通入一段时间的CO后,酒精灯在玻璃管上靠近CuO处加热,观察发生的现象(黑色渐变红色,石灰水变浑浊,但无水CuSO4未变色)。

3.实验改进优点:

(1)两项实验一套装置,操作简单,方便。实验连续,缩短实验时间,提高课堂有效利用率。

(2)对比性强:对比一:做CO可燃性实验时,CO通过玻管中CuO时,并未出现红色Cu(是因未加热,未反应)此点突出了学生书写化学方程时很容易遗忘的反应条件,强调了反应条件的重要性。对比二:做CO还原性实验时,出现了红色Cu,此和前章所学到的H2还原CuO具有相似现象。但无水CuSO4未变色,说明此气体不是H2,在巩固前边知识的基础上加强实验及知识的联续和对比。

(3)无水CuSO4的选用将为后面学习硫酸铜晶体及晶体性质埋下伏笔,打下基础。同时又表明无水CuSO4在实验中的作用。

木煤气还原氧化铁和氧化铜

原理:

木材干馏产生木煤气、木焦油和木醋液。木煤气的主要成分是CO、CH4和H2等。先使木焦油、木醋液冷凝分离,再用木煤气来还原氧化铁和氧化铜。

实验准备:

在蒸馏烧瓶(1)中装有干燥木屑至半满,瓶固定在有石棉衬垫的三角架上,导气管(2)与收集木焦油的试验(3)联接,挥发性产物收集在U形管(4)及(5)里。气体产物分别通入装有2克氧化铜的硬质玻璃管(6)和装有2克氧化铁硬质玻璃管(7)。试管(8)和(9)盛装着石灰水。

整个实验装置如图。

实验步骤及现象:

①用喷灯将木材迅速加热至300℃~400℃,到十分钟后,在试管(3)开始收集到木焦油。

②在产量最多的气态产物中,挥发性产物收集在U形试管(4)及(5)里。更易挥发的气态产物CO、H2等直接通入到硬质玻璃管(6)和(7),至硬质玻璃管(6)中原黑色的氧化铜有红色出现,硬质玻璃管(7)中原红色的氧化铁变成黑色,撤去酒精灯,再继续通入气体直至冷却。

③把磁铁放在硬质玻璃管(7)上方,黑色粉末就隔着玻璃管被吸起来,并随着磁铁的来回滑动而沿管跑来跑去,即证实有铁生成。

把硬质玻璃管(6)中红色的粉末倒去,取出少量完全变红色的固体加入稀硫酸,不溶解,得到无色透明溶液,则证明生成红色的固体为铜。若生成Cu2O,则溶液呈蓝色。因为:Cu2O+H2SO4=Cu+CuSO4+H2O整个反应的化学方程式:

CuO+CO=△Cu+CO2

CuO+H2=△Cu+H2O

Fe2O3+3CO=△2Fe+3CO2

Fe2O3+3H2=△2Fe+3H2O

本装置优点:

省时、方便,现象直观,注重相关知识的综合应用,有较强的实践性。做起来生动有乐趣,加深了对基础知识的理解。

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