高爐煉鐵實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

洪燕茹，鄭舒琳，魯翩翩，蔡開聰

摘要： 對(duì)教材中一氧化碳還原氧化鐵的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。利用定制的長(zhǎng)柄U形管、氣袋以及MCH陶瓷加熱棒等儀器設(shè)計(jì)高爐煉鐵的新實(shí)驗(yàn)裝置。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)采用炭粉還原氧化鐵，避免了一氧化碳的制備及尾氣處理，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、高效、環(huán)保及安全。

關(guān)鍵詞： 一氧化碳； 還原氧化鐵； 高爐煉鐵； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2023）02-0071-04? ??中圖分類號(hào)： G633.8? ??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

通過人教版九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)的學(xué)習(xí)［1］，我們知道高爐煉鐵主要步驟是把鐵礦石跟焦炭、石灰石一起加入高爐中，再?gòu)南路酵ㄈ霟峥諝猓固咳紵笊傻亩趸荚诟邷叵屡c焦炭反應(yīng)生成一氧化碳?xì)怏w，隨后，一氧化碳跟氧化鐵在高溫下反應(yīng)生成鐵（圖1）。

高爐煉鐵主要反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

C+O2點(diǎn)燃CO2CO2+C高溫2CO3CO+Fe2O3高溫2Fe+3CO2

人教版教科書中主要通過以下實(shí)驗(yàn)裝置來演示鐵冶煉的部分化學(xué)原理（圖2），通過實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生鞏固相關(guān)的化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)。

但是，從課堂教學(xué)現(xiàn)狀看，大多數(shù)一線教師在講授該實(shí)驗(yàn)時(shí)往往都采用觀看視頻或動(dòng)畫模擬來代替演示實(shí)驗(yàn)。究其原因，主要是該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在以下幾個(gè)問題：（1）一氧化碳有毒且容易爆炸，制備過程中存在一定的安全隱患，對(duì)學(xué)校儲(chǔ)氣裝置要求較高；（2）該反應(yīng)溫度在600℃以上［4］，采用酒精噴燈進(jìn)行加熱操作時(shí)存在一定的危險(xiǎn)性；（3）一氧化碳尾氣未必能完全被酒精燈點(diǎn)燃，排放至空氣中造成空氣污染，危害學(xué)生的身心健康；（4）缺乏防倒吸裝置，實(shí)驗(yàn)操作不當(dāng)時(shí)，石灰水產(chǎn)生倒吸導(dǎo)致玻璃直管裂開。

為此，本文對(duì)原教材中的實(shí)驗(yàn)裝置作了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使實(shí)驗(yàn)更貼近生產(chǎn)工藝，更能體現(xiàn)工業(yè)反應(yīng)機(jī)理，同時(shí)避免環(huán)境污染，有利于培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1? 設(shè)計(jì)意圖

在原教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，預(yù)期改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）反應(yīng)高效。選擇更易獲得的反應(yīng)物，并且增大熱源與反應(yīng)物間的接觸面積，提高反應(yīng)效率；（2）操作安全。采用無明火加熱，提高實(shí)驗(yàn)的安全性；（3）防止污染。保持實(shí)驗(yàn)過程中裝置的密閉性，防止一氧化碳逸出污染環(huán)境，危害健康；（4）一體化設(shè)計(jì)。將原料的反應(yīng)和生成物的檢驗(yàn)相結(jié)合，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置的同時(shí)體現(xiàn)高爐煉鐵的工業(yè)生產(chǎn)原理。

2? 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)不僅能夠揭示高爐煉鐵的生產(chǎn)原理，而且能夠體現(xiàn)高效、安全、環(huán)保、一體化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念，所涉及的主要反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

3C+2Fe2O3高溫4Fe+3CO2↑

CO2+C高溫2CO3CO+Fe2O3高溫2Fe+3CO2

與原實(shí)驗(yàn)不同的是，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)過程中先通入氮?dú)?，排除裝置內(nèi)的氧氣，使炭粉與氧化鐵在高溫下反應(yīng)直接生成鐵與二氧化碳。隨后生成的二氧化碳與炭反應(yīng)生成一氧化碳也參與氧化鐵的還原反應(yīng)，促進(jìn)二氧化碳的循環(huán)利用，同時(shí)提高了生成鐵的反應(yīng)效率。

3? 實(shí)驗(yàn)新設(shè)計(jì)

3.1? 解決一氧化碳的來源問題

在教材所示的實(shí)驗(yàn)中（圖2），并未標(biāo)明一氧化碳的來源，部分教師選擇用甲酸與濃硫酸來現(xiàn)場(chǎng)制取一氧化碳。但該方法需要對(duì)濃硫酸進(jìn)行水浴加熱［5］，增加了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備時(shí)間，使實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜化，不易在課堂中搬運(yùn)。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)采用炭與氧化鐵混合加熱，解決了原實(shí)驗(yàn)中一氧化碳的制備與儲(chǔ)存問題。在實(shí)驗(yàn)前，先通入氮?dú)馀疟M裝置內(nèi)空氣，氮?dú)庑再|(zhì)穩(wěn)定，不易燃，不易爆，具有較高的安全性。待裝置內(nèi)氧氣排盡后，扭緊旋塞，關(guān)閉氮?dú)膺M(jìn)氣口處止水夾，使裝置保障密閉后打開加熱源，防止反應(yīng)中產(chǎn)生的一氧化碳泄漏污染環(huán)境，同時(shí)省去了一氧化碳的尾氣處理裝置。

3.2? 采用MCH陶瓷加熱棒代替明火加熱

在原實(shí)驗(yàn)中采用酒精噴燈進(jìn)行加熱，且需要預(yù)熱一段時(shí)間，不僅增加了整個(gè)反應(yīng)的時(shí)間，并且明火加熱的方式也使實(shí)驗(yàn)操作過程中具有一定的危險(xiǎn)性。

本文改用MCH陶瓷加熱棒來作為熱源［6］（圖3），該加熱棒接通24V學(xué)生直流電源后，能夠達(dá)到700℃，其體積小、價(jià)格低廉，能夠滿足一氧化碳還原氧化鐵600℃以上高溫的條件。實(shí)驗(yàn)開始前，先將加熱棒的導(dǎo)線穿過橡膠塞與學(xué)生電源相連，在燒杯中加入少量0.5cm左右的玻璃纖維、0.3g炭粉和3g氧化鐵粉末，混合均勻后，用玻璃纖維氈將其包住并豎直塞入玻璃直管中，再把MCH陶瓷加熱棒插入玻璃纖維氈，調(diào)節(jié)加熱棒位置使其發(fā)熱區(qū)恰好在炭粉與氧化鐵粉末混合物中。實(shí)驗(yàn)時(shí)打開電源即可加熱反應(yīng)物，關(guān)閉電源加熱停止。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)采用MCH陶瓷加熱棒代替酒精噴燈加熱，保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋踩剡M(jìn)行。同時(shí)，用玻璃纖維氈和玻璃纖維棉改變炭和氧化鐵混合物的堆放方式（圖3），使反應(yīng)物更充分地接觸加熱棒，整個(gè)反應(yīng)也更加充分、高效。

3.3? 借助長(zhǎng)柄U形管優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

在原實(shí)驗(yàn)中為了盡量保證裝置內(nèi)空氣全部排盡往往會(huì)通入過量的一氧化碳，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)藥品浪費(fèi)以及污染環(huán)境。在進(jìn)行一氧化碳的尾氣處理時(shí)，先排出的氣體為一氧化碳與空氣的混合物，采用酒精燈點(diǎn)燃時(shí)存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，若等待一段時(shí)間后再點(diǎn)燃，又可能會(huì)導(dǎo)致部分一氧化碳排放至空氣中，對(duì)師生的身體健康造成危害。

原實(shí)驗(yàn)中玻璃直管與澄清石灰水試管中間并未連接安全瓶，為了防止澄清石灰水倒吸，在移取酒精噴燈后仍需保持一氧化碳持續(xù)通入，增加了藥品的使用量。若實(shí)驗(yàn)操作不慎造成倒吸，冷的石灰水倒吸入熱的玻璃直管中，兩者溫度差異較大將會(huì)使玻璃直管炸裂，增加了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性。

本文借助長(zhǎng)柄U形管，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置作了改進(jìn)（圖4）。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置在設(shè)計(jì)上優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)反應(yīng)原理，省去了一氧化碳尾氣處理裝置，簡(jiǎn)化了整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。在長(zhǎng)柄U形管右端增加一個(gè)旋塞，在反應(yīng)開始之前打開旋塞，從左端玻璃管中通入過量氮?dú)?，用燃著的火柴伸入U(xiǎn)形管口內(nèi)，若火柴熄滅，說明裝置內(nèi)已充滿氮?dú)猓S后關(guān)閉旋塞，打開熱源進(jìn)行加熱。待觀察到紅棕色的氧化鐵粉末變?yōu)楹谏?，再持續(xù)加熱2～3分鐘后，關(guān)閉熱源，待直管冷卻后打開旋塞，往U形管中加入少量澄清石灰水（圖4），再關(guān)閉旋塞，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。研究表明［7］，氧化鐵是分步還原的，生成的黑色粉末可能含有鐵、氧化亞鐵、四氧化三鐵。取出生成物放于白紙上觀察，用磁鐵吸引出黑色粉末（可能含有鐵和四氧化三鐵），取少量該黑色粉末溶于0.1mol/L稀鹽酸中，產(chǎn)生少量氣泡，隨后加入硫氰化鉀溶液，溶液不變色，說明不含三價(jià)鐵離子。繼續(xù)加入幾滴過氧化氫溶液后，溶液變?yōu)檠t色，證明反應(yīng)生成的黑色粉末中含有鐵，其溶于稀鹽酸生成二價(jià)鐵離子并被過氧化氫氧化成三價(jià)鐵離子，再與硫氰根反應(yīng)生成血紅色溶液。

借助長(zhǎng)柄U形管還能提高實(shí)驗(yàn)的安全性。儀器中旋塞的設(shè)計(jì)能夠使整個(gè)反應(yīng)過程在密閉的空間內(nèi)進(jìn)行，防止反應(yīng)中產(chǎn)生的一氧化碳逸出污染環(huán)境，危害師生身體健康。該U形管管徑較粗，能有效地防止澄清石灰水倒吸，降低實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性。因此，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置在整體上更簡(jiǎn)潔，安全性更高，方便教師在課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

4? 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)效果

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖（圖5）揭示了工業(yè)高爐煉鐵的原理，有效地達(dá)成了本實(shí)驗(yàn)的目的，展現(xiàn)出高效、安全、防污、實(shí)驗(yàn)一體化等優(yōu)點(diǎn)。

按圖5裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的步驟、現(xiàn)象等見表1。

5? 結(jié)論

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，可作為教師在課堂上的演示實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生更直觀地了解高爐煉鐵的工藝流程，加深學(xué)生對(duì)高爐煉鐵原理的理解，有助于在課堂上創(chuàng)設(shè)工業(yè)生產(chǎn)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)使學(xué)生不再局限于教科書中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：在實(shí)驗(yàn)藥品選擇上，采用氮?dú)獯嬉谎趸紒砼趴昭b置內(nèi)空氣，降低實(shí)驗(yàn)操作的危險(xiǎn)性。采用炭粉與氧化鐵混合加熱，避免原實(shí)驗(yàn)中一氧化碳的制備與儲(chǔ)存問題，同時(shí)省去了一氧化碳的尾氣處理裝置，防止一氧化碳可能泄漏造成的危害；在熱源選擇上，采用MCH陶瓷加熱棒代替酒精噴燈加熱，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性。用玻璃纖維氈改變反應(yīng)物的堆放形式，增大與熱源的接觸面積，提高了反應(yīng)的效率；在儀器設(shè)計(jì)上，借助長(zhǎng)柄U形管中的旋塞能夠有效防止反應(yīng)過程中產(chǎn)生的一氧化碳逸出污染環(huán)境。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置僅由一個(gè)氣袋、長(zhǎng)柄U形管組成，裝置簡(jiǎn)潔，方便教師在課堂上搬運(yùn)。綜上所述，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)更加高效、環(huán)保、安全，有助于在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的探究精神與創(chuàng)新意識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

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