高炉炼铁实验的新设计

洪燕茹，郑舒琳，鲁翩翩，蔡开聪

摘要： 对教材中一氧化碳还原氧化铁的实验进行改进。利用定制的长柄U形管、气袋以及MCH陶瓷加热棒等仪器设计高炉炼铁的新实验装置。改进后的实验采用炭粉还原氧化铁，避免了一氧化碳的制备及尾气处理，使整个实验操作简便、高效、环保及安全。

关键词： 一氧化碳； 还原氧化铁； 高炉炼铁； 实验改进

文章编号： 1005-6629（2023）02-0071-04    中图分类号： G633.8    文献标识码： B

通过人教版九年级化学上册的学习［1］，我们知道高炉炼铁主要步骤是把铁矿石跟焦炭、石灰石一起加入高炉中，再从下方通入热空气，焦炭燃烧后生成的二氧化碳在高温下与焦炭反应生成一氧化碳气体，随后，一氧化碳跟氧化铁在高温下反应生成铁（图1）。

高炉炼铁主要反应的化学方程式如下：

C+O2点燃CO2CO2+C高温2CO3CO+Fe2O3高温2Fe+3CO2

人教版教科书中主要通过以下实验装置来演示铁冶炼的部分化学原理（图2），通过实验，帮助学生巩固相关的化学基础知识，引导学生关注化工生产中的化学反应。

但是，从课堂教学现状看，大多数一线教师在讲授该实验时往往都采用观看视频或动画模拟来代替演示实验。究其原因，主要是该实验设计存在以下几个问题：（1）一氧化碳有毒且容易爆炸，制备过程中存在一定的安全隐患，对学校储气装置要求较高；（2）该反应温度在600℃以上［4］，采用酒精喷灯进行加热操作时存在一定的危险性；（3）一氧化碳尾气未必能完全被酒精灯点燃，排放至空气中造成空气污染，危害学生的身心健康；（4）缺乏防倒吸装置，实验操作不当时，石灰水产生倒吸导致玻璃直管裂开。

为此，本文对原教材中的实验装置作了创新设计，使实验更贴近生产工艺，更能体现工业反应机理，同时避免环境污染，有利于培养学生的“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。

1  设计意图

在原教材实验的基础上进行创新设计，预期改进后的实验装置具有以下几个优点：（1）反应高效。选择更易获得的反应物，并且增大热源与反应物间的接触面积，提高反应效率；（2）操作安全。采用无明火加热，提高实验的安全性；（3）防止污染。保持实验过程中装置的密闭性，防止一氧化碳逸出污染环境，危害健康；（4）一体化设计。将原料的反应和生成物的检验相结合，简化实验装置的同时体现高炉炼铁的工业生产原理。

2  实验原理

本实验不仅能够揭示高炉炼铁的生产原理，而且能够体现高效、安全、环保、一体化的实验设计理念，所涉及的主要反应的化学方程式如下：

3C+2Fe2O3高温4Fe+3CO2↑

CO2+C高温2CO3CO+Fe2O3高温2Fe+3CO2

与原实验不同的是，改进后的实验过程中先通入氮气，排除装置内的氧气，使炭粉与氧化铁在高温下反应直接生成铁与二氧化碳。随后生成的二氧化碳与炭反应生成一氧化碳也参与氧化铁的还原反应，促进二氧化碳的循环利用，同时提高了生成铁的反应效率。

3  实验新设计

3.1  解决一氧化碳的来源问题

在教材所示的实验中（图2），并未标明一氧化碳的来源，部分教师选择用甲酸与浓硫酸來现场制取一氧化碳。但该方法需要对浓硫酸进行水浴加热［5］，增加了实验的准备时间，使实验装置复杂化，不易在课堂中搬运。

改进后的实验采用炭与氧化铁混合加热，解决了原实验中一氧化碳的制备与储存问题。在实验前，先通入氮气排尽装置内空气，氮气性质稳定，不易燃，不易爆，具有较高的安全性。待装置内氧气排尽后，扭紧旋塞，关闭氮气进气口处止水夹，使装置保障密闭后打开加热源，防止反应中产生的一氧化碳泄漏污染环境，同时省去了一氧化碳的尾气处理装置。

3.2  采用MCH陶瓷加热棒代替明火加热

在原实验中采用酒精喷灯进行加热，且需要预热一段时间，不仅增加了整个反应的时间，并且明火加热的方式也使实验操作过程中具有一定的危险性。

本文改用MCH陶瓷加热棒来作为热源［6］（图3），该加热棒接通24V学生直流电源后，能够达到700℃，其体积小、价格低廉，能够满足一氧化碳还原氧化铁600℃以上高温的条件。实验开始前，先将加热棒的导线穿过橡胶塞与学生电源相连，在烧杯中加入少量0.5cm左右的玻璃纤维、0.3g炭粉和3g氧化铁粉末，混合均匀后，用玻璃纤维毡将其包住并竖直塞入玻璃直管中，再把MCH陶瓷加热棒插入玻璃纤维毡，调节加热棒位置使其发热区恰好在炭粉与氧化铁粉末混合物中。实验时打开电源即可加热反应物，关闭电源加热停止。改进后实验采用MCH陶瓷加热棒代替酒精喷灯加热，保证实验能够更安全地进行。同时，用玻璃纤维毡和玻璃纤维棉改变炭和氧化铁混合物的堆放方式（图3），使反应物更充分地接触加热棒，整个反应也更加充分、高效。

3.3  借助长柄U形管优化实验

在原实验中为了尽量保证装置内空气全部排尽往往会通入过量的一氧化碳，导致实验时间延长、实验药品浪费以及污染环境。在进行一氧化碳的尾气处理时，先排出的气体为一氧化碳与空气的混合物，采用酒精灯点燃时存在爆炸的风险，若等待一段时间后再点燃，又可能会导致部分一氧化碳排放至空气中，对师生的身体健康造成危害。

原实验中玻璃直管与澄清石灰水试管中间并未连接安全瓶，为了防止澄清石灰水倒吸，在移取酒精喷灯后仍需保持一氧化碳持续通入，增加了药品的使用量。若实验操作不慎造成倒吸，冷的石灰水倒吸入热的玻璃直管中，两者温度差异较大将会使玻璃直管炸裂，增加了整个实验的危险性。

本文借助长柄U形管，对实验装置作了改进（图4）。改进后的实验装置在设计上优化了实验反应原理，省去了一氧化碳尾气处理装置，简化了整个实验装置。在长柄U形管右端增加一个旋塞，在反应开始之前打开旋塞，从左端玻璃管中通入过量氮气，用燃着的火柴伸入U形管口内，若火柴熄灭，说明装置内已充满氮气，随后关闭旋塞，打开热源进行加热。待观察到红棕色的氧化铁粉末变为黑色，再持续加热2～3分钟后，关闭热源，待直管冷却后打开旋塞，往U形管中加入少量澄清石灰水（图4），再关闭旋塞，观察实验现象。研究表明［7］，氧化铁是分步还原的，生成的黑色粉末可能含有铁、氧化亚铁、四氧化三铁。取出生成物放于白纸上观察，用磁铁吸引出黑色粉末（可能含有铁和四氧化三铁），取少量该黑色粉末溶于0.1mol/L稀盐酸中，产生少量气泡，随后加入硫氰化钾溶液，溶液不变色，说明不含三价铁离子。继续加入几滴过氧化氢溶液后，溶液变为血红色，证明反应生成的黑色粉末中含有铁，其溶于稀盐酸生成二价铁离子并被过氧化氢氧化成三价铁离子，再与硫氰根反应生成血红色溶液。

借助长柄U形管还能提高实验的安全性。仪器中旋塞的设计能够使整个反应过程在密闭的空间内进行，防止反应中产生的一氧化碳逸出污染环境，危害师生身体健康。该U形管管径较粗，能有效地防止澄清石灰水倒吸，降低实验的危险性。因此，改进后的实验装置在整体上更简洁，安全性更高，方便教师在课堂上进行演示实验。

4  改进后的实验装置及实验效果

改进后的实验装置示意图（图5）揭示了工业高炉炼铁的原理，有效地达成了本实验的目的，展现出高效、安全、防污、实验一体化等优点。

按图5装置进行实验的步骤、现象等见表1。

5  结论

改进后的实验操作简单，可作为教师在课堂上的演示实验，帮助学生更直观地了解高炉炼铁的工艺流程，加深学生对高炉炼铁原理的理解，有助于在课堂上创设工业生产情境，激发学生学习兴趣，同时使学生不再局限于教科书中的实验设计，进一步培养学生的创新思维。

改进后的实验主要有以下几个优点：在实验药品选择上，采用氮气代替一氧化碳來排空装置内空气，降低实验操作的危险性。采用炭粉与氧化铁混合加热，避免原实验中一氧化碳的制备与储存问题，同时省去了一氧化碳的尾气处理装置，防止一氧化碳可能泄漏造成的危害；在热源选择上，采用MCH陶瓷加热棒代替酒精喷灯加热，提高了实验的安全性。用玻璃纤维毡改变反应物的堆放形式，增大与热源的接触面积，提高了反应的效率；在仪器设计上，借助长柄U形管中的旋塞能够有效防止反应过程中产生的一氧化碳逸出污染环境。整个实验装置仅由一个气袋、长柄U形管组成，装置简洁，方便教师在课堂上搬运。综上所述，改进后的实验更加高效、环保、安全，有助于在实验中培养学生的探究精神与创新意识。

参考文献：

［1］［2］［3］王晶， 郑长龙主编. 义务教育课程标准实验教科书·化学［M］. 北京： 人民教育出版社， 2012： 16.

［4］刘怀乐. 一氧化碳还原氧化铁的实证探索与教学思考［J］. 化学教学， 2007，（11）： 13～16.

［5］裴锐， 张灵丽. 一氧化碳还原氧化铁实验的一体化设计［J］. 化学教学， 2019，（6）： 70～73.

［6］庄鑫. 密闭装置中点燃红磷的实验改进［J］. 化学教与学， 2020，（2）： 83～84.

［7］魏海， 周良， 李德前. “一氧化碳还原氧化铁”实验装置新设计［J］. 化学教学， 2017，（9）： 66～68.