裴銳 張靈麗

摘要： 在分析一氧化碳還原氧化鐵反應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，將一氧化碳的制備、一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)、產(chǎn)物的檢驗(yàn)和尾氣的處理進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，使多個(gè)反應(yīng)置于同一個(gè)封閉體系中進(jìn)行;同時(shí)改進(jìn)熱源裝置，優(yōu)化生成物——鐵的檢驗(yàn)方法，利用萬(wàn)用瓶并設(shè)置安全線排除爆炸風(fēng)險(xiǎn)等，大大提高了實(shí)驗(yàn)的成功率和安全性。

關(guān)鍵詞： 一氧化碳還原氧化鐵; 實(shí)驗(yàn)一體化設(shè)計(jì); 實(shí)驗(yàn)改進(jìn) ? ? ??文章編號(hào)： 1005-6629（2019）6-0070-04 ? ? ? ? ? ?中圖分類號(hào)： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 ?問(wèn)題提出

一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)在九年級(jí)化學(xué)教學(xué)中具有十分重要的地位，現(xiàn)行人教版、滬教版、湘教版、粵教版、魯教版等不同版本的教材中，都安排了一氧化碳還原氧化鐵的演示實(shí)驗(yàn)并將其定性為教學(xué)重點(diǎn)。一氧化碳還原氧化鐵作為九年級(jí)化學(xué)中唯一的一個(gè)固體和氣體在高溫條件下反應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)，既是理解工業(yè)上高爐煉鐵原理的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，也是體現(xiàn)化學(xué)原理對(duì)實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)作用的重要例證[1]。重視該實(shí)驗(yàn)并確保實(shí)驗(yàn)成功，是充分發(fā)揮其教學(xué)功能和價(jià)值的重要前提。然而，從課堂教學(xué)現(xiàn)狀看，關(guān)于一氧化碳還原氧化鐵的實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用觀看視頻或動(dòng)畫模擬代替演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象普遍存在，甚至畫實(shí)驗(yàn)、講實(shí)驗(yàn)的情況也時(shí)有發(fā)生，究其原因，主要與以下幾個(gè)方面因素有關(guān)。

1.1 ?氣體制備與儲(chǔ)存

實(shí)驗(yàn)用一氧化碳需要提前制備和安全儲(chǔ)存，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)事，而且對(duì)氣體的儲(chǔ)存裝置要求較高。一方面，因?yàn)樵S多學(xué)校沒(méi)有符合條件的儲(chǔ)氣裝置，為了做一氧化碳還原氧化鐵的實(shí)驗(yàn)，需要對(duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)或者自制裝置;另一方面，不少教師考慮到一氧化碳有毒且容易爆炸，制備和儲(chǔ)存過(guò)程中存在一定的安全隱患，如有不慎，則可能造成較為嚴(yán)重的安全事故，因而產(chǎn)生畏懼心理。

1.2 ?高溫條件及熱源

一氧化碳還原氧化鐵的反應(yīng)需要高溫，反應(yīng)溫度在600℃以上[2]，普通酒精燈的溫度達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求，必須使用酒精噴燈。但酒精噴燈使用很不方便，不僅需要提前在托盤上倒酒精，明火預(yù)熱引燃，耗時(shí)較多，而且在實(shí)際使用過(guò)程中，酒精噴燈還極易損壞，經(jīng)常是上一個(gè)班級(jí)用得好好的，到了下一個(gè)班級(jí)卻點(diǎn)不著火了，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法正常演示。

1.3 ?通氣時(shí)間與尾氣處理

首先，實(shí)驗(yàn)加熱前必須要先通一氧化碳排盡裝置內(nèi)空氣，而一氧化碳是無(wú)色氣體，所以不知道何時(shí)裝置內(nèi)空氣被排盡，因此，為了安全起見，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常要多通一會(huì)兒一氧化碳，這樣既加大了藥品的用量[3， 4]，也會(huì)花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。其次，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)含有一氧化碳的尾氣處理也十分令人糾結(jié)，由于進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)，常用點(diǎn)燃的方式來(lái)處理尾氣，但是何時(shí)點(diǎn)燃，卻很難有效把控，點(diǎn)早了，存在爆炸的危險(xiǎn)，點(diǎn)遲了，又會(huì)造成空氣污染。

1.4 ?生成物的檢驗(yàn)

一氧化碳還原氧化鐵的生成物分別是二氧化碳和鐵，用澄清石灰水檢驗(yàn)二氧化碳，方法簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，但另一生成物——鐵的檢驗(yàn)則相對(duì)要復(fù)雜一些。如果檢驗(yàn)反應(yīng)后的黑色粉末既能被磁鐵吸引，又能通過(guò)黑色粉末與稀鹽酸反應(yīng)，觀察到有氣體生成，則將使鐵的檢驗(yàn)具有更強(qiáng)的說(shuō)服力。但由于還原生成的鐵溫度較高，如果等冷卻后再取出來(lái)與稀鹽酸反應(yīng)，會(huì)耗費(fèi)較多的時(shí)間，但如果為了節(jié)約時(shí)間，沒(méi)有充分冷卻就將鐵取出，很容易在空氣中被氧化，導(dǎo)致其與稀鹽酸反應(yīng)的現(xiàn)象不明顯，影響實(shí)驗(yàn)效果。

為了解決以上演示實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到的實(shí)際問(wèn)題，筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大膽的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一套集一氧化碳制備、一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)、產(chǎn)物檢驗(yàn)和尾氣處理于一體的裝置，將多個(gè)反應(yīng)置于同一個(gè)封閉體系中進(jìn)行;同時(shí)，改進(jìn)熱源裝置，優(yōu)化生成物——鐵的檢驗(yàn)方法，利用萬(wàn)用瓶并設(shè)置安全線排除爆炸風(fēng)險(xiǎn)。該裝置在實(shí)際應(yīng)用中取得了令人滿意的效果，現(xiàn)將該一體化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)介紹如下。

2 ?實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 ?實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)所用儀器及藥品分別如下： 注射器2支、具支試管1支、石英球形干燥管一個(gè)、自制簡(jiǎn)易高溫酒精燈一個(gè)、定制萬(wàn)用瓶一個(gè)、500mL燒杯一個(gè)、小燒杯一個(gè)、配套的雙孔橡皮塞、單孔橡皮塞、磁鐵、三通管一個(gè)、止水夾一個(gè)、乳膠管若干等;甲酸、氫氧化鈉濃溶液、濃硫酸、氧化鐵粉末、稀鹽酸、澄清石灰水、80℃熱水

2.2 ?實(shí)驗(yàn)操作

（1） 檢查裝置氣密性： 按照?qǐng)D1所示連接裝置，在D處的萬(wàn)用瓶中裝滿水，然后推A處的任意一支空注射器，若觀察到萬(wàn)用瓶里有水排出，則說(shuō)明裝置不漏氣。

（2） 裝入藥品： 在石英球形干燥管的球內(nèi)平鋪一藥匙氧化鐵，C處試管中裝入稀鹽酸，D處萬(wàn)用瓶中裝滿澄清石灰水，分別取5mL濃硫酸于A處具支試管中，2mL甲酸和6mL氫氧化鈉濃溶液于兩支注射器中。

（3） 進(jìn)行反應(yīng)： 用小燒杯盛80℃熱水，給A處具支試管內(nèi)的濃硫酸水浴加熱，然后輕輕推動(dòng)注射器，將甲酸逐滴加入濃硫酸中。當(dāng)萬(wàn)用瓶里澄清石灰水的液面下降到安全刻度線處，點(diǎn)燃簡(jiǎn)易高溫酒精燈（自制），加熱氧化鐵。先均勻預(yù)熱石英球形干燥管，再移置藥品處集中加熱。當(dāng)紅棕色粉末全部變黑后，再繼續(xù)加熱2～3分鐘，熄滅高溫酒精燈，此時(shí)由于A處一氧化碳仍在源源不斷地產(chǎn)生，所以C、 D處液體不會(huì)出現(xiàn)倒吸現(xiàn)象。稍冷卻后打開C處的止水夾，用磁鐵將黑色粉末吸引遷移到盛有稀鹽酸的試管里，黑色粉末和稀鹽酸反應(yīng)，多余的尾氣收集在萬(wàn)用瓶中。

（4） 后續(xù)處理： 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，可直接打開萬(wàn)用瓶的瓶塞，將收集在萬(wàn)用瓶里的尾氣點(diǎn)燃。然后向盛有濃硫酸的具支試管里注入氫氧化鈉濃溶液，中和剩余的酸。再拆開實(shí)驗(yàn)裝置，清洗并整理實(shí)驗(yàn)用品。

2.3 ?注意事項(xiàng)

（1） 因甲酸有較強(qiáng)的腐蝕性，用注射器抽取甲酸的時(shí)候，要帶橡膠手套，防止皮膚與甲酸的接觸。

（2） 定制萬(wàn)用瓶的體積要盡量大一點(diǎn)，保證多余的一氧化碳能完全被收集起來(lái)。

（3） 當(dāng)紅棕色粉末變黑時(shí)，不能馬上停止加熱，要繼續(xù)通入一氧化碳2～3分鐘，防止反應(yīng)只生成四氧化三鐵，導(dǎo)致反應(yīng)后固體在被磁鐵吸引進(jìn)入到稀鹽酸中觀察不到氣泡的產(chǎn)生，檢驗(yàn)不出鐵的生成。

3 ?優(yōu)點(diǎn)分析

3.1 ?無(wú)需提前制備和儲(chǔ)存一氧化碳

根據(jù)濃硫酸和甲酸的反應(yīng)原理： CH2O2濃硫酸H2O+CO↑，將濃硫酸盛放在A處具支試管里，甲酸盛放在注射器里。濃硫酸的沸點(diǎn)是338℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于甲酸的沸點(diǎn)100.5℃。用小燒杯盛80℃熱水，給具支試管內(nèi)的濃硫酸水浴加熱（見圖2），然后逐滴加入甲酸，就會(huì)產(chǎn)生大量一氧化碳。甲酸和濃硫酸的體積比為1∶5為宜，注射器分別盛2mL甲酸和6mL濃氫氧化鈉溶液，具支試管里盛有5mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸。所以本實(shí)驗(yàn)不需要提前制備和儲(chǔ)存一氧化碳，可以隨時(shí)到教室演示實(shí)驗(yàn)，既無(wú)需為存儲(chǔ)裝置犯愁，又節(jié)省了大量的準(zhǔn)備時(shí)間。

3.2 ?為滿足反應(yīng)條件提供熱源保障

根據(jù)CO和Fe2O3的反應(yīng)需要高溫，且Fe2O3是分步還原的，有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式如下： 3Fe2O3+CO400～500℃2Fe3O4+CO2， Fe3O4+CO500～600℃3FeO+CO2， FeO+CO600℃以上Fe+CO2[5]，為了保證反應(yīng)后的黑色固體是鐵，而不是四氧化三鐵或氧化亞鐵，所以要使用酒精噴燈，但是酒精噴燈使用不方便，而且極易損壞，所以筆者受酒精噴燈燃燒能產(chǎn)生高溫的原理啟發(fā)，制作了簡(jiǎn)易高溫酒精燈，用三根燈芯同時(shí)燃燒，再利用燈罩拉風(fēng)加快空氣流動(dòng)速度，使單位時(shí)間內(nèi)酒精的燃燒量加大，釋放的熱量增多，從而產(chǎn)生較高溫度，實(shí)現(xiàn)了維持高溫的目的。筆者用溫度傳感器多次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)： 簡(jiǎn)易高溫酒精燈的溫度可恒定在900℃以上，較好地滿足了一氧化碳還原氧化鐵600℃以上的高溫條件。同時(shí)，相比酒精噴燈使用更加方便，不需要在燈體外面倒酒精引燃，直接點(diǎn)燃就可以，熄滅時(shí)，只需取下燈罩直接用燒杯罩滅即可，而且耐用性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于酒精噴燈。

自制簡(jiǎn)易高溫酒精燈（見圖3）是用玻璃瓶作為燈體，在玻璃瓶的鐵皮蓋子上鉆三個(gè)小孔，用鋁管（取自英雄鋼筆的筆管套）包裹的三根棉燈芯穿過(guò)小孔制成燈頭，鐵皮蓋子上配置定制的三腳罩座和耐高溫的石英玻璃燈罩。

3.3 ?產(chǎn)物鐵的檢驗(yàn)快捷可靠

待球形干燥管里粉末完全變黑再稍冷卻后，打開止水夾，將磁鐵貼在玻璃管外壁上移動(dòng)游走，將熱的黑色粉末吸入到C處試管里和稀鹽酸接觸反應(yīng)（見圖4）。當(dāng)觀察到試管里有氣泡產(chǎn)生，溶液變成淺綠色，證明黑色粉末是鐵粉。該操作巧妙利用磁鐵的磁性，磁鐵在玻璃管、試管外壁移動(dòng)，可以將球形干燥管內(nèi)溫?zé)岬蔫F粉帶著一起遷移，讓溫?zé)岬蔫F粉和稀鹽酸接觸反應(yīng)。一方面加快了反應(yīng)速率，現(xiàn)象明顯，節(jié)約了課堂寶貴的時(shí)間，另一方面溫?zé)岬蔫F粉在封閉的無(wú)氧環(huán)境下與稀鹽酸接觸，可防止生成的鐵以及氯化亞鐵被氧化。

3.4 ?定制萬(wàn)用瓶的功能

定制萬(wàn)用瓶如圖5。

功能1： 根據(jù)加熱石英球形干燥管前后澄清石灰水的變化，可以檢驗(yàn)二氧化碳，證明反應(yīng)的發(fā)生;功能2： 密閉體系，把反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的氣體全部收集起來(lái)，防止了一氧化碳的散逸，又可避免一開始用酒精燈點(diǎn)燃尾氣容易爆炸的危險(xiǎn);功能3： 設(shè)置安全線，可準(zhǔn)確估算加熱氧化鐵的時(shí)間，巧妙地解決何時(shí)加熱的困惑，既安全，又直觀（安全刻度線設(shè)置的方法是： 根據(jù)一氧化碳的爆炸極限，將具支試管、石英球形干燥管、橡皮管、乳膠管裝滿水，測(cè)量它們盛放水的總體積記為V1，安全線就是3V1的位置，見圖5）;功能4： 處理尾氣，方便安全。

由于尾氣從下端通入，打開橡皮塞點(diǎn)燃一氧化碳時(shí)，火苗不會(huì)回火到前面的裝置里。實(shí)驗(yàn)結(jié)束點(diǎn)燃尾氣時(shí)，可以清楚地看到一氧化碳在瓶?jī)?nèi)安靜燃燒，產(chǎn)生漂亮的藍(lán)色火焰。

總之，本套一體化實(shí)驗(yàn)裝置，不僅減少了課前準(zhǔn)備負(fù)擔(dān)，更主要的是提高了一氧化碳還原氧化鐵實(shí)驗(yàn)的安全性和成功率，為該實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)的有效落實(shí)提供了保障。

參考文獻(xiàn)：

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[2][5]劉懷樂(lè). 一氧化碳還原氧化鐵的實(shí)證探索與教學(xué)思考[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2007， （11）： 13～16.

[3]魏海， 周良， 李德前. 一氧化碳還原氧化鐵實(shí)驗(yàn)裝置新設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （9）： 53～56.

[4]王寶權(quán). 一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2014， （7）： 27～28.