实验：氧化铜的实验式

如果说氧化镁是靠金属与氧化合得到的，那么氧化铜则从相反的方向研究：把金属氧化物还原成金属，并测量被除去的氧。因此这个实验从还原一侧检验同样的摩尔比推理，它是摩尔概念、化学式与方程式一章里的标准实验。

本指南列出方法、观察，以及实验考试所看重的试卷三技能。

目的

用干燥氢气还原氧化铜，求出氧化物中铜原子摩尔数与氧原子摩尔数之比，从而测定氧化铜的实验式。

仪器与材料

• 干燥的氧化铜（黑色粉末）
• 靠一端开有小孔的燃烧管
• 干燥氢气的供应
• 本生灯
• 铁架台、夹头与夹子
• 电子天平
• 瓷舟或盛放氧化物的合适容器
• 耐热垫

步骤

1. 称量空瓷舟，记下质量。
2. 把一定量干燥氧化铜放进瓷舟，称量瓷舟连氧化物，记下质量。
3. 把瓷舟放进燃烧管，水平夹好，使小孔在靠近远端处朝上。
4. 让一股干燥氢气通过管子，把管内所有空气赶出。
5. 在小孔处检验氢气的纯度；只有当它安静地燃烧、说明空气已排尽时，才可继续。
6. 保持氢气流动，强烈加热氧化铜，并把在小孔处逸出的氢气点燃。
7. 继续加热，直到所有黑色氧化物变成棕色的铜。
8. 停止加热，但保持氢气流动，直到管子与瓷舟冷却，使高温的铜不被空气重新氧化。
9. 称量瓷舟连铜，然后在氢气中再加热、在氢气中冷却、再称量，直到质量恒定，记下最终质量。

预期观察

在氢气中受热时，黑色氧化铜逐渐变成棕色、有光泽的铜。无色的水珠在燃烧管较冷的部位凝结，因为氢与从氧化物中除去的氧化合。

还原后固体的质量小于起始氧化铜的质量，因为氧已被除去。

推断与结论

质量的减少就是原先与氧化物中的铜化合的氧的质量。铜的质量是残余物的质量，氧的质量是质量的损失。

把每种质量除以它的相对原子质量，得到铜原子与氧原子的摩尔数；最简整数比给出实验式。这个比值算得一摩尔铜对一摩尔氧，所以氧化铜的实验式是 CuO，还原按 CuO + H₂ → Cu + H₂O 进行。

科学过程技能（试卷三风格）

提出假设。 在氧化铜中，铜与氧以固定的比例化合，所以固定质量的铜总是与相同质量的氧化合。

辨认变量。 操纵变量是所用氧化铜的质量；反应变量是所得铜的质量；固定变量包括稳定供应的干燥氢气与加热到质量恒定。

列表记录数据。 画一张表，记瓷舟的质量、瓷舟连氧化铜的质量、瓷舟连铜的质量，使铜的质量与氧的质量能用相减求出。

作出推断。 解释为什么在管子冷却时仍保持氢气流动：高温的铜会与空气中的氧反应而增重，所以保持氢气流动能保护结果。

操作性定义。 还原用操作方式定义为：当固体完全变为棕色、重复加热不再改变其质量时，即为完成。

安全须知

• 加热前用氢气排尽空气并检验气体纯度，因为氢气与空气一起会形成爆炸性混合气。
• 让氢气供应远离其他火焰，因为氢气极易燃。
• 戴安全护目镜，用夹子处理烫的管子，以免烫伤。
• 在通风良好处操作，使逸出的氢气不致积聚。

常见错误

• 空气未排尽就加热。 这有爆炸危险；务必先通氢气并检验纯度。
• 太早停止通氢气。 若在铜仍高温时停止气流，空气会把它重新氧化、质量上升，破坏结果。
• 没有还原到质量恒定。 若部分氧化物未被还原，除去的氧的质量就偏小、比值出错。
• 使用潮湿的氧化铜。 水分增加了并非氧化物的质量；应用干燥的氧化物与干燥的氢气。

我们的老师如何使用这个实验

在一对一的 SPM化学课堂里，以英文授课、每小时 RM50 起，我们把它与氧化镁实验配对，让学生从两个方向看摩尔比，加上氧和除去氧。能解释纯度检验、以及为什么冷却时仍通氢气的学生，也能把 CuO 的运算写得干净。

因为实验式与氧化还原的观念在 SPM化学 里反复出现，这又是经典的试卷三实验（试卷三为实验考试，评估科学过程技能），在这里掌握好安全流程和计算，会在试卷二和试卷三里都有回报。