“還原氧化鐵”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

摘 要：在長期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們要給學(xué)生做很多的演示實(shí)驗(yàn)。有些實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象比較明顯，而有些在課堂上容易造成誤解。所以，對(duì)這樣的實(shí)驗(yàn)，教師在課堂上常常只是講解而不去做，“一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)就是這樣一個(gè)例子。本人對(duì)“一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，用甲烷代替一氧化碳做還原劑，使用酒精噴燈代替酒精燈加熱，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)步驟，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，且更安全、環(huán)保、科學(xué)、節(jié)能。

關(guān)鍵詞：甲烷 還原氧化鐵 化學(xué)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、改進(jìn)的背景

一般的教材在講“鐵的冶煉合金”時(shí)都會(huì)用“一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)”作為演示實(shí)驗(yàn)，其步驟為：

用鐵架臺(tái)固定住硬質(zhì)玻璃試管，在試管中放入少量氧化鐵粉末，先通入一氧化碳一段時(shí)間（目的是排盡玻璃試管內(nèi)的空氣，防止加熱時(shí)玻璃試管內(nèi)的一氧化碳與空氣的混合氣體發(fā)生爆炸）；

點(diǎn)燃酒精噴燈給氧化鐵加熱；

熄滅酒精噴燈，繼續(xù)通一氧化碳直至裝置冷卻（防止剛生成的鐵在高溫下又與氧氣反應(yīng)，使實(shí)驗(yàn)失敗）；

停止通入一氧化碳，觀察石灰水有什么變化；

把得到的黑色粉末倒在白紙上觀察，試驗(yàn)它能不能被磁鐵吸起，判斷反應(yīng)中生成了什么物質(zhì)。

對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，有很多教師在課堂很少演示，原因主要有：第一，一氧化碳是無色無味且有毒的氣體，實(shí)驗(yàn)中若漏氣或尾氣處理不當(dāng)，必然會(huì)造成污染，危及師生健康；第二，一氧化碳有可燃性，其體積分?jǐn)?shù)達(dá)到12.5%～74%時(shí)，有爆炸危險(xiǎn)；第三，該實(shí)驗(yàn)所得到的黑色粉末，放入鹽酸或硫酸銅溶液后、無明顯現(xiàn)象。

二、實(shí)驗(yàn)裝置圖及說明

實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)前后見圖1和圖2。

改進(jìn)說明：

用甲烷取代一氧化碳作還原劑；

加熱氧化鐵的儀器由酒精燈改為酒精噴燈；

直硬質(zhì)粗玻璃試管兩端的橡皮管上各增加一個(gè)止水夾（圖中未畫出）。

三、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

1.實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

按改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置圖（見圖2）：

（1）按實(shí)驗(yàn)要求先制取甲烷氣體，并通入用鐵架臺(tái)固定住的硬質(zhì)玻璃試管中；

（2）用酒精噴燈加熱氧化鐵，石灰水變渾濁，固體粉末有紅棕色逐漸變成黑色；

（3）停止加熱硬質(zhì)粗直玻璃試管，并迅速夾緊直玻璃試管兩端的止水夾，同時(shí)斷開進(jìn)氣管，停止加熱制取甲烷；

（4）硬質(zhì)粗直玻璃試管冷卻后，用磁鐵吸引，并把所得黑色粉末分成兩份，向其中一份加入稀鹽酸，發(fā)現(xiàn)有許多小氣泡冒出，向另一份加入硫酸銅溶液，發(fā)現(xiàn)黑色粉末逐漸變成紅色固體。

2.實(shí)驗(yàn)條件分析

文獻(xiàn)資料顯示；用一氧化碳還原氧化鐵，當(dāng)溫度高于300℃時(shí)，F(xiàn)e2O3容易被還原成Fe3O2；當(dāng)溫度高于600℃時(shí)，F(xiàn)e3O2才容易被氧化成FeO；只有當(dāng)溫度高于770℃時(shí)，F(xiàn)eO才可大量還原成Fe。在實(shí)驗(yàn)室用酒精燈加熱（400℃～500℃）的條件下，還原產(chǎn)物的主要成分是有強(qiáng)磁性的黑色的Fe3O2和少量的FeO以及極少量的單質(zhì)Fe。用甲烷還原氧化鐵時(shí)，只有當(dāng)溫度達(dá)到770℃以上時(shí)，氧化鐵中的晶格氧才能耗盡，出現(xiàn)金屬鐵。因此，無論是用一氧化碳還是用甲烷作還原劑，改用酒精噴燈加熱氧化鐵是很有必要的，這樣做既可以縮短反應(yīng)的時(shí)間，又能得到可以被磁鐵吸引且與稀鹽酸反應(yīng)能產(chǎn)生大量小氣泡的黑色粉末，從而得出有單質(zhì)鐵生成的科學(xué)結(jié)論。

3.實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）甲烷的爆炸極限為5%～15%，相對(duì)一氧化碳的要小得多，安全性好；

（2）改進(jìn)后使用無毒的甲烷氣體更環(huán)保；

（3）在直玻璃試管兩端的橡皮管上各加一個(gè)止水夾，當(dāng)觀察到紅棕色的粉末變成黑色后，可及時(shí)夾緊止水夾，隔絕空氣，無需一直通氣到直玻璃試管冷卻，因此既節(jié)能又省時(shí)；

（4）所有儀器及藥品均為中學(xué)實(shí)驗(yàn)室所常見的，有利于普遍推廣。