一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)實驗改進

郭 燾 王 會

由于工業(yè)煉鐵與學(xué)生生活實際聯(lián)系不多，因此2012版上海教育出版社的九年級化學(xué)教科書在“鐵的冶煉”教學(xué)中安排了“一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)”實驗，實驗裝置如圖1所示，旨在模擬高爐煉鐵的化學(xué)原理[1]。

圖1 “一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)”實驗裝置

一、原實驗方案的不足

按照教科書上設(shè)計的實驗方案進行操作，一般存在如下幾處不足：

(1)實驗開始需要排完玻璃管內(nèi)的空氣，然后才能加熱。但何時排完玻璃管內(nèi)的空氣，卻是教師難以把握的操作(大多數(shù)教師都是較長時間地通入一氧化碳氣體，以確保玻璃管內(nèi)空氣被排盡)。

(2)對于還原產(chǎn)物的檢驗，使用了磁鐵，這值得商榷。因為在實驗室里使用一氧化碳氣體還原氧化鐵時，常常會得到四氧化三鐵(它也能被磁鐵吸引)。

(3)不少教師在導(dǎo)管口處直接點燃尾氣，這樣處理尾氣存在很大的危險性。因為尾氣中既含有一氧化碳氣體又含有空氣，如果直接在導(dǎo)管口處點燃，極易引燃試管里不純的一氧化碳氣體，從而使密閉的試管發(fā)生爆炸。

(4)實驗所需的一氧化碳氣體如何簡便地儲存和方便地通入，教科書上沒有明確的敘述。

二、改進后的實驗裝置及實驗用品

近年來關(guān)于該實驗的改進較多，而且大多涉及玻璃管內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)部分。我們參考了徐州市馬逸群老師改進此實驗的部分思路[2]，成功地設(shè)計了這個側(cè)重于供氣系統(tǒng)、尾氣處理以及產(chǎn)物驗證的實驗方案。

1.改進后的實驗裝置(如圖2所示)

圖2

2.改進后的實驗用品

2個500mL硬質(zhì)塑料瓶(分別儲存一氧化碳氣體和實驗尾氣)，1個玻璃旋塞(控制一氧化碳氣體的通入)，1根18 mm×200 mm的硬質(zhì)玻璃管(用作反應(yīng)容器)，1支大試管(盛裝石灰水，以檢驗二氧化碳氣體)，1個雙孔橡皮塞，2個單孔橡皮塞，2個鐵架臺，幾根長短不一的乳膠管(用于連接和固定實驗裝置)，1盞酒精噴燈(使反應(yīng)條件達到高溫)等。

一氧化碳氣體，氧化鐵粉末，澄清石灰水等。

三、實驗步驟

(1)提前用“水量法”測出硬質(zhì)玻璃管和兩端導(dǎo)氣管(m至n之間)的總?cè)莘e約36mL (其中所含空氣的體積也是36mL)。

(2)在塑料瓶Ⅰ中用排水法收集1瓶一氧化碳氣體，備用；另取1個相同的塑料瓶Ⅱ，用水量法找出容積為36mL的位置并做上標記，然后盛滿水，備用。如圖2所示，將2個塑料瓶連接起來。下一步開啟玻璃旋塞后，塑料瓶Ⅰ中的一氧化碳氣體能自動進入玻璃管參與反應(yīng)，塑料瓶Ⅱ能及時自動吸儲尾氣，且能直觀顯示玻璃管里的空氣是否排完。

(3)如圖2所示，將整個實驗裝置連接起來(有關(guān)藥品可以提前裝入[3])。輕輕打開玻璃旋塞，如果塑料瓶Ⅱ中有水流入塑料瓶Ⅰ中，且右邊試管里的石灰水中冒氣泡，則說明整個裝置不漏氣。

(4)當(dāng)塑料瓶Ⅱ中的水面下降到36mL刻度處，就說明玻璃管和導(dǎo)氣管里36mL的空氣已基本排盡。固然氣體分子運動的情況很復(fù)雜，而且該定量方法也不算是精確，可我們的多次實驗表明這時候加熱氧化鐵確實沒有發(fā)生爆炸。

(5)點燃酒精噴燈，1～2 min，玻璃管內(nèi)紅色的氧化鐵就會變?yōu)楹谏?，同時石灰水變渾濁。

注意：當(dāng)看到氧化鐵剛變?yōu)楹谏?，不要誤認為氧化鐵已全部被還原為鐵粉，以至于熄滅酒精燈、停止實驗。一氧化碳還原氧化鐵的過程是逐步進行的，首先是紅色的氧化鐵還原成黑色的四氧化三鐵，然后是四氧化三鐵被還原成黑色的氧化亞鐵，最后氧化亞鐵才被一氧化碳還原成鐵粉。因此，氧化鐵粉末剛變黑時仍要在保持加熱的情況下繼續(xù)通入一會兒一氧化碳氣體，以確保氧化鐵全部變?yōu)楹谏蔫F粉。

(6)加熱3～4 min，還原反應(yīng)基本結(jié)束，即可關(guān)閉玻璃旋塞，同時停止加熱。由于整個實驗裝置是封閉式的，雖然停止加熱后玻璃管內(nèi)溫度降低，但石灰水也不會倒流進玻璃管內(nèi)(一般會沿著導(dǎo)氣管略有上升)。

(7)等到玻璃管冷卻到室溫后，拆下塑料瓶Ⅱ，將其正立，然后拔掉橡皮塞，直接在瓶口點燃瓶中的尾氣；可能會產(chǎn)生爆鳴聲，但絕不會發(fā)生劇烈爆炸；塑料瓶口也不會被灼燒變形，因為瓶口潮濕，且燃燒時間很短。另外，試管里殘留的尾氣也采用直接點火燒掉的方法。

(8)引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗，探究玻璃管內(nèi)的黑色粉末有沒有鐵粉。一般采用加稀鹽酸(或稀硫酸)溶解的方法，只要冒出氣泡則可證明有鐵粉生成。大多數(shù)時候，溶液里不僅冒氣泡，同時得到橙黃綠色的溶液，這正是四氧化三鐵溶于酸溶液的實驗現(xiàn)象，說明還原得到的黑色粉末里既有鐵粉也有四氧化三鐵。

注意：不能用磁鐵吸引的方法探究鐵粉的存在，因為黑色的四氧化三鐵粉末也能被磁鐵吸引。另外，還原產(chǎn)物倒出來檢驗成分時，已不可能含有氧化亞鐵，因為氧化亞鐵在空氣中極為不穩(wěn)定，會立刻變?yōu)榧t色的氧化鐵[4]。

(9)實驗結(jié)束，清洗儀器，整理實驗用品。

四、改進后的優(yōu)點

(1)將2個塑料瓶巧妙組合，使供氣裝置隨開隨用、隨關(guān)隨停、氣流可大可小，增強了對實驗過程的調(diào)控；同時尾氣存儲裝置既能自動吸儲尾氣，又能直觀顯示玻璃管內(nèi)空氣何時排完，增強了實驗的可操作性和安全性；另外，簡化了實驗裝置，節(jié)省了一氧化碳氣體(1瓶一氧化碳氣體可以在3～4個班級連續(xù)實驗)。

(2)反應(yīng)裝置源于教材，主體部分保持了與教材設(shè)計的一致性，使學(xué)生易于接受實驗原理。

(3)對實驗尾氣的巧妙處理，既能很好地培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識，又能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

(4)利用廢舊的塑料瓶替代供氣裝置和尾氣存儲裝置，豐富了教育裝備，節(jié)省了教育經(jīng)費，培養(yǎng)了學(xué)生勤儉節(jié)約的習(xí)慣。

[1]王祖浩.義務(wù)教育教科書化學(xué)九年級上冊[M].上海:上海教育出版社,2012.

[2]馬逸群.鐵還原氧化鐵的產(chǎn)物是氧化亞鐵還是四氧化三鐵[J].化學(xué)教育,2011(11):72-73.

[3]郎翠芳,陳建文.“檢驗氣密性”與“加入藥品”順序可否顛倒[J].實驗教學(xué)與儀器,2002(4):48.

[4]劉懷樂.一氧化碳還原氧化鐵的實證探索與教學(xué)思考[J].化學(xué)教學(xué),2007(11):13-15.