模擬煉鐵實驗的改進(jìn)設(shè)計

王斌　陸庭鑾

摘要： 教材中模擬煉鐵實驗存在有毒氣體泄漏、一氧化碳不純引起爆炸等風(fēng)險，不利于課堂上演示。基于工程思維模擬工業(yè)煉鐵的原理，將木炭與二氧化碳高溫反應(yīng)與一氧化碳高溫還原氧化鐵的實驗作一體化創(chuàng)新設(shè)計，同時改進(jìn)加熱方式并融合注射器的功能，再用對比實驗的方法檢驗產(chǎn)物的成分，體現(xiàn)了簡約、安全、環(huán)保、工程性、思維性、一體化的實驗創(chuàng)新設(shè)計理念。

關(guān)鍵詞： 模擬煉鐵； 一體化創(chuàng)新設(shè)計； 實驗改進(jìn)

文章編號： 10056629（2023）10006403 中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

滬教版九年級《化學(xué)》第五章第2節(jié)“金屬礦物鐵的冶煉”中，通過圖1裝置演示一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)來研究冶煉鐵的原理［1］。該實驗是初中階段課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中相對較難的實驗，其主要難點(diǎn)在于：（1）一氧化碳的制取，通常采取的方法是利用草酸和濃硫酸反應(yīng)制取一氧化碳，制備過程中存在一定的安全隱患［2］；（2）一氧化碳毒性較強(qiáng)且具有可燃性，實驗過程中有發(fā)生爆炸及泄漏污染空氣的可能；（3）酒精噴燈的使用存在火焰大小難以調(diào)節(jié)以及將點(diǎn)燃的酒精噴燈作移動操作有一定的危險性；（4）實驗過程中等待硬質(zhì)玻璃管冷卻至室溫所需時間較長，在此期間仍需持續(xù)通入一氧化碳，實驗藥品的消耗量太大。針對以上幾個問題，筆者對該實驗的裝置及操作方法等做了探究改進(jìn)。

1 改進(jìn)實驗裝置所用儀器及藥品

改進(jìn)裝置如圖2所示。

儀器：鐵架臺、硬質(zhì)玻璃管、注射器、藥匙、鑷子、橡皮塞、乳膠管、三通管、止水夾、燒杯、玻璃纖維布、石棉網(wǎng)、點(diǎn)滴板、便攜式火焰噴槍、條形磁鐵

藥品：木炭、氧化鐵、二氧化碳、澄清石灰水、硫酸銅溶液

2 實驗原理

本實驗設(shè)計在展示一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)（主反應(yīng)）的同時還揭示了工業(yè)煉鐵中一氧化碳的來源及原理，體現(xiàn)了簡約、安全、環(huán)保、工程性、思維性、一體化的實驗創(chuàng)新設(shè)計理念。所涉及的反應(yīng)原理如下：

與教材原實驗比較，實驗改為先通入二氧化碳，排盡裝置內(nèi)的空氣；用木炭和二氧化碳在高溫條件下反應(yīng)生成一氧化碳；一氧化碳與氧化鐵在高溫下反應(yīng)生成鐵和二氧化碳。二氧化碳在裝置中得以循環(huán)利用。

3 實驗操作步驟要點(diǎn)及實驗現(xiàn)象

（1） 如圖2連接裝置，將一側(cè)注射器拉至40mL處，夾緊兩側(cè)的止水夾，推拉注射器活塞，檢查裝置的氣密性。

（2） 打開兩側(cè)止水夾，注射器推至底部，右側(cè)乳膠管連接導(dǎo)管，插入盛有澄清石灰水的燒杯中。然后裝入藥品。

① 取少許氧化鐵粉末平鋪于硬質(zhì)玻璃管中，用條形磁鐵在其下方移動，觀察現(xiàn)象；

② 取玻璃纖維布（約3cm長）置于硬質(zhì)玻璃管中；

③ 用鑷子夾取木炭，用火焰噴槍對木炭作預(yù)加熱處理，木炭點(diǎn)燃后放置于硬質(zhì)玻璃管中的玻璃纖維布上，與氧化鐵粉末間距1cm左右；

④ 用注射器從左側(cè)向裝置中緩慢推入二氧化碳至觀察到燒杯中石灰水變渾濁。

（3） 夾緊兩側(cè)的乳膠管，移去左側(cè)注射器和右側(cè)的石灰水。

（4） 使用噴火槍對硬質(zhì)玻璃管預(yù)熱后，對木炭和氧化鐵部位同時加強(qiáng)熱，觀察現(xiàn)象及固體顏色變化，適度輕微推拉注射器，使裝置內(nèi)氣流流動。

（5） 待反應(yīng)完全后，熄滅噴火槍，再次用條形磁鐵在硬質(zhì)玻璃管下方移動，觀察現(xiàn)象。

（6） 推拉兩側(cè)的注射器，使氣流流動加快裝置的冷卻。待裝置冷卻至室溫后，用抽拉注射器的方法抽取裝置中的氣體進(jìn)行尾氣的處理。

（7） 取少量反應(yīng)后能被磁鐵吸引的固體少許放入井穴板中，滴加硫酸銅溶液，攪拌，觀察現(xiàn)象。

4 實驗改進(jìn)小結(jié)

4.1 一體化設(shè)計

教材原裝置圖中沒有說明一氧化碳的來源，一般情況下是采用濃硫酸和甲酸反應(yīng)制取一氧化碳，實驗過程需加熱；產(chǎn)生的一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)的裝置與尾氣的處理裝置相連接，使裝置相對復(fù)雜，操作流程也相互摻雜，不利于課堂演示，影響了學(xué)生對核心知識的掌握。

本改進(jìn)設(shè)計將木炭與二氧化碳高溫反應(yīng)與一氧化碳高溫還原氧化鐵兩步反應(yīng)巧妙結(jié)合，一體化考慮，既解決了一氧化碳的來源問題，又充分利用了氣體的循環(huán)作用，幫助學(xué)生清晰地認(rèn)識物質(zhì)及其變化的規(guī)律和本質(zhì)。

4.2 操作高效簡潔

4.2.1 高效加熱方式

教材原裝置圖采用酒精噴燈作為熱源，酒精噴燈使用時火焰強(qiáng)弱的調(diào)節(jié)較難操作，需反復(fù)訓(xùn)練才能精準(zhǔn)把控，且實驗預(yù)熱時還需左右移動酒精噴燈。

改進(jìn)后的實驗利用日常生活用品火焰噴槍提供高溫條件，火焰噴槍的火焰溫度能達(dá)1000℃以上，可滿足木炭與二氧化碳及一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)所需的高溫條件；火焰噴槍采用電子打火，旋鈕調(diào)節(jié)的方式和火焰大小的控制簡單、便捷；火焰噴槍的火焰可處于水平或豎直方向，任意調(diào)控，火焰寬度能同時對放有木炭和氧化鐵的部位加熱，使反應(yīng)過程更加協(xié)調(diào)、高效。

4.2.2 高效的一氧化碳獲取和尾氣處理方式

改進(jìn)后的實驗采取木炭與二氧化碳在高溫條件下反應(yīng)生成一氧化碳，簡化了一氧化碳的來源；實驗中先通入二氧化碳，排盡裝置中的空氣，二氧化碳具有不支持燃燒的性質(zhì)，實驗安全性好。通好二氧化碳后就夾緊兩側(cè)的止水夾，裝置即處于密封狀態(tài)，既防止反應(yīng)過程中生成的一氧化碳泄漏，也便于用抽氣法處理尾氣，更重要的是整個過程模擬了工業(yè)煉鐵的基本原理［3］。

4.2.3 簡潔的實驗現(xiàn)象辨析

實驗設(shè)計利用兩注射器簡潔地進(jìn)行了氣密性檢查；利用澄清石灰水變混濁證明了硬質(zhì)玻璃管中空氣已排盡；利用兩注射器的調(diào)節(jié)作用，使一氧化碳與氧化鐵充分反應(yīng)，在短時間內(nèi)還原生成了鐵，現(xiàn)象明顯，有助于學(xué)生認(rèn)識工業(yè)模擬煉鐵的主要原理［4］，初步形成學(xué)習(xí)物質(zhì)及其變化的基本思路，以及在一定條件下通過化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的化學(xué)觀念。

4.3 安全性高

利用二氧化碳排盡試管中的空氣，避免了在密封的試管中一氧化碳可能發(fā)生爆炸的危險，確保實驗的安全性；熾熱的木炭放在玻璃纖維布上，有效防止了試管炸裂的危險；實驗時還通過推動注射器調(diào)節(jié)氣壓，確保了安全。

4.4 防止污染

整個實驗設(shè)計在密封的裝置中進(jìn)行，防止一氧化碳的泄漏對環(huán)境造成污染；少量的實驗尾氣一氧化碳最終收集在兩個注射器中，最終被點(diǎn)燃以清除隱患。

4.5 注射器的多種作用

注射器的作用體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）檢查裝置氣密性時，根據(jù)觀察注射器上活塞的位置可直觀感知?dú)饷苄允欠窳己?；?）加熱時，注射器活塞移動可緩沖內(nèi)部氣壓，防止橡皮塞彈出；（3）推拉注射器可使裝置內(nèi)氣流發(fā)生定向移動，使二氧化碳與木炭、一氧化碳與氧化鐵充分接觸，從而促使反應(yīng)完全；（4）預(yù)熱后對木炭進(jìn)行加熱，觀察注射器活塞的移動情況，再結(jié)合反應(yīng)原理，可幫助學(xué)生從定量的視角理解化學(xué)反應(yīng)，發(fā)展對化學(xué)變化的定量認(rèn)識和推理能力，突破學(xué)習(xí)的難點(diǎn)；（5）注射器左右推拉促使氣體流動，加快裝置冷卻，提升了課堂的時效；（6）注射器從兩側(cè)吸氣進(jìn)行尾氣的處理，方便簡潔。

5 引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

教材原實驗沒有對產(chǎn)物的檢驗方法做具體的介紹，一般教學(xué)中通?？捎脙煞N方法來驗證有鐵生成：（1）取反應(yīng)后所得黑色固體于試管中滴加稀鹽酸（或稀硫酸），觀察是否有氣泡產(chǎn)生；（2）取反應(yīng)后所得黑色固體于試管中滴加硫酸銅溶液，觀察是否有紅色固體產(chǎn)生。但實驗中由于生成的鐵粉顆粒較小，加入酸溶液或硫酸銅溶液時粉末不會快速沉降，干擾實驗現(xiàn)象的觀察。本實驗改進(jìn)為向點(diǎn)滴板中滴加兩份硫酸銅溶液，向其中一份加入所得的黑色固體，經(jīng)攪拌、靜置，觀察溶液顏色的變化。利用白色點(diǎn)滴板作對比實驗展示溶液顏色的變化，實驗現(xiàn)象明顯，更有利于學(xué)生的觀察。

本設(shè)計通過實驗與觀察，對比分析反應(yīng)前后固體的顏色、條形磁鐵的吸引情況、注射器內(nèi)氣體體積的變化，強(qiáng)化證據(jù)推理、模型解釋、反思與創(chuàng)新等思維能力，引導(dǎo)學(xué)生從宏微符結(jié)合、定性和定量結(jié)合、現(xiàn)象與本質(zhì)等多角度認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)，突破學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，引導(dǎo)深度學(xué)習(xí)，發(fā)展核心素養(yǎng)［5］。

參考文獻(xiàn)：

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