一氧化碳与氧化铁反应装置的新设计

时间：2024-05-04

章小娥

摘要：针对教材中一氧化碳与氧化铁反应实验装置的不足之处，在相关文献评析的基础上，利用W形管的特点，设计了一氧化碳与氧化铁反应的实验新装置。用新装置进行实验具有微型、环保、视觉效果好、有效控温、一体化及易推广等优点。另外，W形管还可延伸应用到初中化学的其他实验中。

关键词： W形管; 一氧化碳还原氧化铁; 反应新装置; 创新设计

文章编号： 1005-6629（2019）5-0069-05 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

W形管是把玻璃管加工成形似字母W的一种玻璃仪器，可用于固固反应、固液反应、液液反应，加热、不加热都可以使用，利于学生进行探究实验和分组实验。一氧化碳与氧化铁反应是初中化学教材中重要的模拟工业的实验装置，在课堂上演示操作较复杂、耗时也较长。笔者尝试利用W形管对实验进行改进，让实验装置更微型化、实验操作更简约化、实验现象更可视化。

1 装置设计的缘起

1.1 教材实验装置分析

教材中一氧化碳与氧化铁反应装置（见图1）是在实验室模拟复杂的高爐炼铁原理的简易装置，也是沪教版教材（2012年审定）唯一的模拟化工工业实验装置。一方面该装置能让教材阅读者初步理解和体验实验室模拟工业生产过程的思想和方法，另一方面该装置还发挥着对“气体与固体加热”反应装置模型的认知和模型的建构功能。

在课堂实际教学中，发现图1装置存有一些需要补充和改进的地方。

（1） CO的来源：教材中没有明确CO的来源，在实际课堂教学中教师使用的CO大多来源于储存有CO的气囊或储气罐，也有教师专门买来CO钢瓶作为气源。在使用过程中，气囊需要按压，按压力度的轻重会影响气流速度;储气罐需要不停加水，水流完气体就不出来了，导致气体流速不匀或不连续;CO钢瓶则有可能会出现泄漏的危险。

（2）仪器组装：气源、硬质玻璃管与后面二氧化碳的检验装置、尾气处理装置之间的连接较为复杂，搭建一套装置耗时较长。

（3）尾气处理：教材中没有明确尾气处理装置，大多数教师一般在装置最右端用一个燃着的酒精灯进行点燃处理。如果处理不当，CO达到爆炸极限，点燃时易发生爆炸危险。

（4）产物检验：受课堂时间限制，通常没有充足的时间等装置完全冷却。一般教师在得到黑色粉末后，在硬质玻璃管外用一磁铁吸引粉末，发现粉末被吸引，就认为得到了还原铁粉，缺少对黑色产物的进一步检验。

1.2 利用W形管或V形管对此实验改进的研究

一线教师对“一氧化碳与氧化铁反应”的实验改进作了大量的研究，其中利用W形管或V形管对此实验的改进主要为以下两种装置（见图2、图3）。

将氧化铁放在W形管和V形管的凹槽处，CO用甲酸和浓硫酸现制或者用针筒推动提供。两个实验装置都比较微型且简捷，所用气体量少并均用气球进行尾气处理。

1.3 装置进一步改进的空间

教材实验装置及一线教师已有的研究为实验的进一步改进提供了宝贵的借鉴资源。

（1）从课堂观察发现，一氧化碳和氧化铁反应的实验大都以教师演示实验或者播放实验视频为主，很少有学生分组实验。其实，该研究十分适合学生分组实验，可让学生亲身体验实验改进的探究过程。

（2）考虑设计通过改变试剂的加入方式和热源的提供方式，形成一套安全、环保、科学、简单的实验装置。

2 利用W形管对装置的改进

2.1 初步尝试

受一线教师研究的启发，笔者对实验装置的改进进行了初步的尝试（见图4）。

装置包括一个3个弯的W+V形管，热源为两个酒精灯，其中一个酒精灯带灯罩。利用该装置进行多次实验后发现，药品添加比较麻烦，实验最终能得到可以被磁铁吸引的黑色粉末，但是加稀硫酸没有气泡产生，可见产物中并没有铁。

2.2 文献分析

笔者联想到2011年沪教版九年级《化学（上册）》教材中一氧化碳还原氧化铁装置中用酒精灯作为热源（见图5），后来在教材修订时将反应热源改为酒精喷灯（见图1）。这个改动蕴含着怎样的科学依据呢？

通过查阅文献资料发现，刘怀乐在“一氧化碳还原氧化铁的实证探索与教学思考”一文中指出CO还原氧化铁是有条件的[1]。

不同物质的稳定性对温度的依赖性不同（见图6），在一氧化碳与氧化铁的反应过程中有如下的反应： 3Fe2O3+CO400～500℃2Fe3O4+CO2; Fe3O4+CO500～600℃3FeO+CO2; FeO+CO600℃以上Fe+CO2。

朱洪法的《实用化工词典》则提出，当温度高于710℃， Fe稳定存在;680～710℃之间，FeO稳定存在;低于680℃，则主要是Fe3O[2]4。

梁瑜、孙清亚、莘赞梅在“应用新技术研究‘一氧化碳还原氧化铁的产物”一文中利用扫描电子显微镜和能谱仪对用普通酒精灯、带网罩的酒精灯、酒精喷灯在进行本实验时的产物测定结果见表1、表2[3]。

综上文献分析，要想得到铁，实验温度必须超过710℃。

2.3 二次改进

在文献研究的基础上，笔者用内径为7mm的耐高温的W形石英管对装置进行了再次改进（见图7）。

该装置舍弃检验二氧化碳的部分，侧重产物铁的获得与铁的检验，且只有两个弯更便于药品的添加。但用该装置进行多次实验时又发现新的问题，酒精喷灯需要预热，且预热时间较长，通常要一分钟左右甚至更长。

2.4 设计方案

能否找到比酒精喷灯更便捷且能提供710℃以上高温的加热仪器呢？笔者受餐桌上现场烧烤牛肉的丁烷喷枪的启发，通过淘宝网站，网购了一套丁烷喷枪，说明书上温度注明可达到1350℃。该喷枪为了达到安全使用的目的，在喷头处进行了防爆设计。使用时打开气阀，按下开关，即喷出美丽且明亮的蓝色火焰，这样就得到了改进实验的最终装置（见图8）。

装置虽然使用耐高温的石英玻璃管，但温度过高也可能导致石英玻璃管软化，为了保证实验的安全、有效，必须控制好温度和时间。笔者利用高温传感器（量程0～1200℃）进行了辅助实验，通过多次实验，发现用喷枪加热氧化铁处的弯管凹槽40～50秒实验现象较明显，此时传感器的温度显示一般在1000℃左右，耐高温的石英玻璃管略显红热状态，但未软化。

3 实验操作步骤和现象

3.1 操作步骤

（1）检查装置气密性。

（2）添加氧化铁、浓硫酸与甲酸等药品，其中浓硫酸加到弯管凹槽一半的位置即可。

（3）利用针筒注入甲酸，注意混合液体积不能超过凹槽部分，加热混合液体，通一段時间CO。

（4）点燃喷枪，加热氧化铁处的弯管凹槽45秒左右。

（5）熄灭喷枪，继续通CO一段时间，待装置冷却到室温。

（6）将装有甲酸溶液的注射器换成装有水的注射器，将水注入浓酸的混合液中形成稀

酸，然后将W形管倾斜，使稀酸进入第二个凹槽中，与粉末接触，检验产物。

3.2 实验现象

喷枪加热完毕后看到红色粉末变为黑色，尾端小气球膨胀，加入稀酸后快速产生大量气

泡，且溶液变为浅绿色。