一氧化碳与氧化铁的反应实验改进

2013-08-17郭焘王会

中国现代教育装备 2013年16期

关键词：氧化铁塑料瓶一氧化碳

郭焘王会

由于工业炼铁与学生生活实际联系不多，因此2012版上海教育出版社的九年级化学教科书在“铁的冶炼”教学中安排了“一氧化碳与氧化铁的反应”实验，实验装置如图1所示，旨在模拟高炉炼铁的化学原理[1]。

图1 “一氧化碳与氧化铁的反应”实验装置

一、原实验方案的不足

按照教科书上设计的实验方案进行操作，一般存在如下几处不足：

(1)实验开始需要排完玻璃管内的空气，然后才能加热。但何时排完玻璃管内的空气，却是教师难以把握的操作(大多数教师都是较长时间地通入一氧化碳气体，以确保玻璃管内空气被排尽)。

(2)对于还原产物的检验，使用了磁铁，这值得商榷。因为在实验室里使用一氧化碳气体还原氧化铁时，常常会得到四氧化三铁(它也能被磁铁吸引)。

(3)不少教师在导管口处直接点燃尾气，这样处理尾气存在很大的危险性。因为尾气中既含有一氧化碳气体又含有空气，如果直接在导管口处点燃，极易引燃试管里不纯的一氧化碳气体，从而使密闭的试管发生爆炸。

(4)实验所需的一氧化碳气体如何简便地储存和方便地通入，教科书上没有明确的叙述。

二、改进后的实验装置及实验用品

近年来关于该实验的改进较多，而且大多涉及玻璃管内的化学反应部分。我们参考了徐州市马逸群老师改进此实验的部分思路[2]，成功地设计了这个侧重于供气系统、尾气处理以及产物验证的实验方案。

1.改进后的实验装置(如图2所示)

图2

2.改进后的实验用品

2个500mL硬质塑料瓶(分别储存一氧化碳气体和实验尾气)，1个玻璃旋塞(控制一氧化碳气体的通入)，1根18 mm×200 mm的硬质玻璃管(用作反应容器)，1支大试管(盛装石灰水，以检验二氧化碳气体)，1个双孔橡皮塞，2个单孔橡皮塞，2个铁架台，几根长短不一的乳胶管(用于连接和固定实验装置)，1盏酒精喷灯(使反应条件达到高温)等。

一氧化碳气体，氧化铁粉末，澄清石灰水等。

三、实验步骤

(1)提前用“水量法”测出硬质玻璃管和两端导气管(m至n之间)的总容积约36mL (其中所含空气的体积也是36mL)。

(2)在塑料瓶Ⅰ中用排水法收集1瓶一氧化碳气体，备用；另取1个相同的塑料瓶Ⅱ，用水量法找出容积为36mL的位置并做上标记，然后盛满水，备用。如图2所示，将2个塑料瓶连接起来。下一步开启玻璃旋塞后，塑料瓶Ⅰ中的一氧化碳气体能自动进入玻璃管参与反应，塑料瓶Ⅱ能及时自动吸储尾气，且能直观显示玻璃管里的空气是否排完。

(3)如图2所示，将整个实验装置连接起来(有关药品可以提前装入[3])。轻轻打开玻璃旋塞，如果塑料瓶Ⅱ中有水流入塑料瓶Ⅰ中，且右边试管里的石灰水中冒气泡，则说明整个装置不漏气。

(4)当塑料瓶Ⅱ中的水面下降到36mL刻度处，就说明玻璃管和导气管里36mL的空气已基本排尽。固然气体分子运动的情况很复杂，而且该定量方法也不算是精确，可我们的多次实验表明这时候加热氧化铁确实没有发生爆炸。

(5)点燃酒精喷灯，1～2 min，玻璃管内红色的氧化铁就会变为黑色，同时石灰水变浑浊。

注意：当看到氧化铁刚变为黑色后，不要误认为氧化铁已全部被还原为铁粉，以至于熄灭酒精灯、停止实验。一氧化碳还原氧化铁的过程是逐步进行的，首先是红色的氧化铁还原成黑色的四氧化三铁，然后是四氧化三铁被还原成黑色的氧化亚铁，最后氧化亚铁才被一氧化碳还原成铁粉。因此，氧化铁粉末刚变黑时仍要在保持加热的情况下继续通入一会儿一氧化碳气体，以确保氧化铁全部变为黑色的铁粉。

(6)加热3～4 min，还原反应基本结束，即可关闭玻璃旋塞，同时停止加热。由于整个实验装置是封闭式的，虽然停止加热后玻璃管内温度降低，但石灰水也不会倒流进玻璃管内(一般会沿着导气管略有上升)。

(7)等到玻璃管冷却到室温后，拆下塑料瓶Ⅱ，将其正立，然后拔掉橡皮塞，直接在瓶口点燃瓶中的尾气；可能会产生爆鸣声，但绝不会发生剧烈爆炸；塑料瓶口也不会被灼烧变形，因为瓶口潮湿，且燃烧时间很短。另外，试管里残留的尾气也采用直接点火烧掉的方法。

(8)引导学生设计实验，探究玻璃管内的黑色粉末有没有铁粉。一般采用加稀盐酸(或稀硫酸)溶解的方法，只要冒出气泡则可证明有铁粉生成。大多数时候，溶液里不仅冒气泡，同时得到橙黄绿色的溶液，这正是四氧化三铁溶于酸溶液的实验现象，说明还原得到的黑色粉末里既有铁粉也有四氧化三铁。

注意：不能用磁铁吸引的方法探究铁粉的存在，因为黑色的四氧化三铁粉末也能被磁铁吸引。另外，还原产物倒出来检验成分时，已不可能含有氧化亚铁，因为氧化亚铁在空气中极为不稳定，会立刻变为红色的氧化铁[4]。

(9)实验结束，清洗仪器，整理实验用品。