一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)裝置的新設(shè)計

章小娥

摘要： 針對教材中一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)實驗裝置的不足之處，在相關(guān)文獻評析的基礎(chǔ)上，利用W形管的特點，設(shè)計了一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)的實驗新裝置。用新裝置進行實驗具有微型、環(huán)保、視覺效果好、有效控溫、一體化及易推廣等優(yōu)點。另外，W形管還可延伸應(yīng)用到初中化學的其他實驗中。

關(guān)鍵詞： W形管; 一氧化碳還原氧化鐵; 反應(yīng)新裝置; 創(chuàng)新設(shè)計

文章編號： 1005-6629（2019）5-0069-05 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： B

W形管是把玻璃管加工成形似字母W的一種玻璃儀器，可用于固固反應(yīng)、固液反應(yīng)、液液反應(yīng)，加熱、不加熱都可以使用，利于學生進行探究實驗和分組實驗。一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)是初中化學教材中重要的模擬工業(yè)的實驗裝置，在課堂上演示操作較復雜、耗時也較長。筆者嘗試利用W形管對實驗進行改進，讓實驗裝置更微型化、實驗操作更簡約化、實驗現(xiàn)象更可視化。

1 ?裝置設(shè)計的緣起

1.1 ?教材實驗裝置分析

教材中一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)裝置（見圖1）是在實驗室模擬復雜的高爐煉鐵原理的簡易裝置，也是滬教版教材（2012年審定）唯一的模擬化工工業(yè)實驗裝置。一方面該裝置能讓教材閱讀者初步理解和體驗實驗室模擬工業(yè)生產(chǎn)過程的思想和方法，另一方面該裝置還發(fā)揮著對“氣體與固體加熱”反應(yīng)裝置模型的認知和模型的建構(gòu)功能。

在課堂實際教學中，發(fā)現(xiàn)圖1裝置存有一些需要補充和改進的地方。

（1） CO的來源： 教材中沒有明確CO的來源，在實際課堂教學中教師使用的CO大多來源于儲存有CO的氣囊或儲氣罐，也有教師專門買來CO鋼瓶作為氣源。在使用過程中，氣囊需要按壓，按壓力度的輕重會影響氣流速度;儲氣罐需要不停加水，水流完氣體就不出來了，導致氣體流速不勻或不連續(xù);CO鋼瓶則有可能會出現(xiàn)泄漏的危險。

（2） 儀器組裝： 氣源、硬質(zhì)玻璃管與后面二氧化碳的檢驗裝置、尾氣處理裝置之間的連接較為復雜，搭建一套裝置耗時較長。

（3） 尾氣處理： 教材中沒有明確尾氣處理裝置，大多數(shù)教師一般在裝置最右端用一個燃著的酒精燈進行點燃處理。如果處理不當，CO達到爆炸極限，點燃時易發(fā)生爆炸危險。

（4） 產(chǎn)物檢驗： 受課堂時間限制，通常沒有充足的時間等裝置完全冷卻。一般教師在得到黑色粉末后，在硬質(zhì)玻璃管外用一磁鐵吸引粉末，發(fā)現(xiàn)粉末被吸引，就認為得到了還原鐵粉，缺少對黑色產(chǎn)物的進一步檢驗。

1.2 ?利用W形管或V形管對此實驗改進的研究

一線教師對“一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)”的實驗改進作了大量的研究，其中利用W形管或V形管對此實驗的改進主要為以下兩種裝置（見圖2、圖3）。

將氧化鐵放在W形管和V形管的凹槽處，CO用甲酸和濃硫酸現(xiàn)制或者用針筒推動提供。兩個實驗裝置都比較微型且簡捷，所用氣體量少并均用氣球進行尾氣處理。

1.3 ?裝置進一步改進的空間

教材實驗裝置及一線教師已有的研究為實驗的進一步改進提供了寶貴的借鑒資源。

（1） 從課堂觀察發(fā)現(xiàn)，一氧化碳和氧化鐵反應(yīng)的實驗大都以教師演示實驗或者播放實驗視頻為主，很少有學生分組實驗。其實，該研究十分適合學生分組實驗，可讓學生親身體驗實驗改進的探究過程。

（2） 考慮設(shè)計通過改變試劑的加入方式和熱源的提供方式，形成一套安全、環(huán)保、科學、簡單的實驗裝置。

2 ?利用W形管對裝置的改進

2.1 ?初步嘗試

受一線教師研究的啟發(fā)，筆者對實驗裝置的改進進行了初步的嘗試（見圖4）。

裝置包括一個3個彎的W+V形管，熱源為兩個酒精燈，其中一個酒精燈帶燈罩。利用該裝置進行多次實驗后發(fā)現(xiàn)，藥品添加比較麻煩，實驗最終能得到可以被磁鐵吸引的黑色粉末，但是加稀硫酸沒有氣泡產(chǎn)生，可見產(chǎn)物中并沒有鐵。

2.2 ?文獻分析

筆者聯(lián)想到2011年滬教版九年級《化學（上冊）》教材中一氧化碳還原氧化鐵裝置中用酒精燈作為熱源（見圖5），后來在教材修訂時將反應(yīng)熱源改為酒精噴燈（見圖1）。這個改動蘊含著怎樣的科學依據(jù)呢？

通過查閱文獻資料發(fā)現(xiàn)，劉懷樂在“一氧化碳還原氧化鐵的實證探索與教學思考”一文中指出CO還原氧化鐵是有條件的[1]。

不同物質(zhì)的穩(wěn)定性對溫度的依賴性不同（見圖6），在一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)過程中有如下的反應(yīng)： 3Fe2O3+CO400～500℃2Fe3O4+CO2; Fe3O4+CO500～600℃3FeO+CO2; FeO+CO600℃以上Fe+CO2。

朱洪法的《實用化工詞典》則提出，當溫度高于710℃， Fe穩(wěn)定存在;680～710℃之間，F(xiàn)eO穩(wěn)定存在;低于680℃，則主要是Fe3O[2]4。

梁瑜、孫清亞、莘贊梅在“應(yīng)用新技術(shù)研究‘一氧化碳還原氧化鐵的產(chǎn)物”一文中利用掃描電子顯微鏡和能譜儀對用普通酒精燈、帶網(wǎng)罩的酒精燈、酒精噴燈在進行本實驗時的產(chǎn)物測定結(jié)果見表1、表2[3]。

綜上文獻分析，要想得到鐵，實驗溫度必須超過710℃。

2.3 ?二次改進

在文獻研究的基礎(chǔ)上，筆者用內(nèi)徑為7mm的耐高溫的W形石英管對裝置進行了再次改進（見圖7）。

該裝置舍棄檢驗二氧化碳的部分，側(cè)重產(chǎn)物鐵的獲得與鐵的檢驗，且只有兩個彎更便于藥品的添加。但用該裝置進行多次實驗時又發(fā)現(xiàn)新的問題，酒精噴燈需要預(yù)熱，且預(yù)熱時間較長，通常要一分鐘左右甚至更長。

2.4 ?設(shè)計方案

能否找到比酒精噴燈更便捷且能提供710℃以上高溫的加熱儀器呢？筆者受餐桌上現(xiàn)場燒烤牛肉的丁烷噴槍的啟發(fā)，通過淘寶網(wǎng)站，網(wǎng)購了一套丁烷噴槍，說明書上溫度注明可達到1350℃。該噴槍為了達到安全使用的目的，在噴頭處進行了防爆設(shè)計。使用時打開氣閥，按下開關(guān)，即噴出美麗且明亮的藍色火焰，這樣就得到了改進實驗的最終裝置（見圖8）。

裝置雖然使用耐高溫的石英玻璃管，但溫度過高也可能導致石英玻璃管軟化，為了保證實驗的安全、有效，必須控制好溫度和時間。筆者利用高溫傳感器（量程0～1200℃）進行了輔助實驗，通過多次實驗，發(fā)現(xiàn)用噴槍加熱氧化鐵處的彎管凹槽40～50秒實驗現(xiàn)象較明顯，此時傳感器的溫度顯示一般在1000℃左右，耐高溫的石英玻璃管略顯紅熱狀態(tài)，但未軟化。

3 ?實驗操作步驟和現(xiàn)象

3.1 ?操作步驟

（1） 檢查裝置氣密性。

（2） 添加氧化鐵、濃硫酸與甲酸等藥品，其中濃硫酸加到彎管凹槽一半的位置即可。

（3） 利用針筒注入甲酸，注意混合液體積不能超過凹槽部分，加熱混合液體，通一段時間CO。

（4） 點燃噴槍，加熱氧化鐵處的彎管凹槽45秒左右。

（5） 熄滅噴槍，繼續(xù)通CO一段時間，待裝置冷卻到室溫。

（6） 將裝有甲酸溶液的注射器換成裝有水的注射器，將水注入濃酸的混合液中形成稀

酸，然后將W形管傾斜，使稀酸進入第二個凹槽中，與粉末接觸，檢驗產(chǎn)物。

3.2 ?實驗現(xiàn)象

噴槍加熱完畢后看到紅色粉末變?yōu)楹谏捕诵馇蚺蛎?，加入稀酸后快速產(chǎn)生大量氣

泡，且溶液變?yōu)闇\綠色。

4 ?裝置設(shè)計的優(yōu)點

（1） 微型。整個實驗在內(nèi)徑為7mm的石英管內(nèi)進行，藥品用量少。

（2） 環(huán)保。實驗裝置微型且密閉，所以整個實驗環(huán)保且安全。

（3） 視覺效果好。雖然實驗藥品用量少，但現(xiàn)象明顯，粉末由紅變黑，檢驗時大量氣泡和溶液的淺綠色，都能在短時間內(nèi)觀察到。

（4） 有效控溫。利用丁烷噴槍反應(yīng)溫度能有效控制在710℃以上。

（5） 一體化。裝置融合了氣體的發(fā)生、物質(zhì)反應(yīng)、尾氣的處理三部分功能，使整個實驗連續(xù)、高效和簡練。

（6） 易推廣。本實驗操作過程安全，裝置搭建簡單，且實驗中用到的石英管和噴槍的價格適宜。筆者定制的石英管60元一根，網(wǎng)購的噴槍1個噴頭加4個氣罐79元，如果批量生產(chǎn)和批發(fā)，價格還可以更低，因此可以推廣到學生分組實驗。

5 ?W形管在初中實驗改進中的拓展延伸

一氧化碳還原氧化鐵是利用W形管改進實驗的一個案例，在初中化學中，還有很多實驗可以利用W形管進行改進，詳見表3。

參考文獻：

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

[2]朱洪法. 實用化工詞典[M]. 北京： 金盾出版社， 2004： 12.

[3]梁瑜、 孫清亞、 莘贊梅. 應(yīng)用新技術(shù)研究“一氧化碳還原氧化鐵”的產(chǎn)物[J]. 化學教育， 2014， （23）： 44～46.