模拟炼铁实验的改进设计

王斌　陆庭銮

摘要： 教材中模拟炼铁实验存在有毒气体泄漏、一氧化碳不纯引起爆炸等风险，不利于课堂上演示。基于工程思维模拟工业炼铁的原理，将木炭与二氧化碳高温反应与一氧化碳高温还原氧化铁的实验作一体化创新设计，同时改进加热方式并融合注射器的功能，再用对比实验的方法检验产物的成分，体现了简约、安全、环保、工程性、思维性、一体化的实验创新设计理念。

关键词： 模拟炼铁； 一体化创新设计； 实验改进

文章编号： 10056629（2023）10006403 中图分类号： G633.8文献标识码： B

沪教版九年级《化学》第五章第2节“金属矿物铁的冶炼”中，通过图1装置演示一氧化碳与氧化铁的反应来研究冶炼铁的原理［1］。该实验是初中阶段课堂教学环节中相对较难的实验，其主要难点在于：（1）一氧化碳的制取，通常采取的方法是利用草酸和浓硫酸反应制取一氧化碳，制备过程中存在一定的安全隐患［2］；（2）一氧化碳毒性较强且具有可燃性，实验过程中有发生爆炸及泄漏污染空气的可能；（3）酒精喷灯的使用存在火焰大小难以调节以及将点燃的酒精喷灯作移动操作有一定的危险性；（4）实验过程中等待硬质玻璃管冷却至室温所需时间较长，在此期间仍需持续通入一氧化碳，实验药品的消耗量太大。针对以上几个问题，笔者对该实验的装置及操作方法等做了探究改进。

1 改进实验装置所用仪器及药品

改进装置如图2所示。

仪器：铁架台、硬质玻璃管、注射器、药匙、镊子、橡皮塞、乳胶管、三通管、止水夹、烧杯、玻璃纤维布、石棉网、点滴板、便携式火焰喷枪、条形磁铁

药品：木炭、氧化铁、二氧化碳、澄清石灰水、硫酸铜溶液

2 实验原理

本实验设计在展示一氧化碳与氧化铁反应（主反应）的同时还揭示了工业炼铁中一氧化碳的来源及原理，体现了简约、安全、环保、工程性、思维性、一体化的实验创新设计理念。所涉及的反应原理如下：

与教材原实验比较，实验改为先通入二氧化碳，排尽装置内的空气；用木炭和二氧化碳在高温条件下反应生成一氧化碳；一氧化碳与氧化铁在高温下反应生成铁和二氧化碳。二氧化碳在装置中得以循环利用。

3 实验操作步骤要点及实验现象

（1） 如图2连接装置，将一侧注射器拉至40mL处，夹紧两侧的止水夹，推拉注射器活塞，检查装置的气密性。

（2） 打开两侧止水夹，注射器推至底部，右侧乳胶管连接导管，插入盛有澄清石灰水的燒杯中。然后装入药品。

① 取少许氧化铁粉末平铺于硬质玻璃管中，用条形磁铁在其下方移动，观察现象；

② 取玻璃纤维布（约3cm长）置于硬质玻璃管中；

③ 用镊子夹取木炭，用火焰喷枪对木炭作预加热处理，木炭点燃后放置于硬质玻璃管中的玻璃纤维布上，与氧化铁粉末间距1cm左右；

④ 用注射器从左侧向装置中缓慢推入二氧化碳至观察到烧杯中石灰水变浑浊。

（3） 夹紧两侧的乳胶管，移去左侧注射器和右侧的石灰水。

（4） 使用喷火枪对硬质玻璃管预热后，对木炭和氧化铁部位同时加强热，观察现象及固体颜色变化，适度轻微推拉注射器，使装置内气流流动。

（5） 待反应完全后，熄灭喷火枪，再次用条形磁铁在硬质玻璃管下方移动，观察现象。

（6） 推拉两侧的注射器，使气流流动加快装置的冷却。待装置冷却至室温后，用抽拉注射器的方法抽取装置中的气体进行尾气的处理。

（7） 取少量反应后能被磁铁吸引的固体少许放入井穴板中，滴加硫酸铜溶液，搅拌，观察现象。

4 实验改进小结

4.1 一体化设计

教材原装置图中没有说明一氧化碳的来源，一般情况下是采用浓硫酸和甲酸反应制取一氧化碳，实验过程需加热；产生的一氧化碳与氧化铁反应的装置与尾气的处理装置相连接，使装置相对复杂，操作流程也相互掺杂，不利于课堂演示，影响了学生对核心知识的掌握。

本改进设计将木炭与二氧化碳高温反应与一氧化碳高温还原氧化铁两步反应巧妙结合，一体化考虑，既解决了一氧化碳的来源问题，又充分利用了气体的循环作用，帮助学生清晰地认识物质及其变化的规律和本质。

4.2 操作高效简洁

4.2.1 高效加热方式

教材原装置图采用酒精喷灯作为热源，酒精喷灯使用时火焰强弱的调节较难操作，需反复训练才能精准把控，且实验预热时还需左右移动酒精喷灯。

改进后的实验利用日常生活用品火焰喷枪提供高温条件，火焰喷枪的火焰温度能达1000℃以上，可满足木炭与二氧化碳及一氧化碳与氧化铁反应所需的高温条件；火焰喷枪采用电子打火，旋钮调节的方式和火焰大小的控制简单、便捷；火焰喷枪的火焰可处于水平或竖直方向，任意调控，火焰宽度能同时对放有木炭和氧化铁的部位加热，使反应过程更加协调、高效。

4.2.2 高效的一氧化碳获取和尾气处理方式

改进后的实验采取木炭与二氧化碳在高温条件下反应生成一氧化碳，简化了一氧化碳的来源；实验中先通入二氧化碳，排尽装置中的空气，二氧化碳具有不支持燃烧的性质，实验安全性好。通好二氧化碳后就夹紧两侧的止水夹，装置即处于密封状态，既防止反应过程中生成的一氧化碳泄漏，也便于用抽气法处理尾气，更重要的是整个过程模拟了工业炼铁的基本原理［3］。

4.2.3 简洁的实验现象辨析

实验设计利用两注射器简洁地进行了气密性检查；利用澄清石灰水变混浊证明了硬质玻璃管中空气已排尽；利用两注射器的调节作用，使一氧化碳与氧化铁充分反应，在短时间内还原生成了铁，现象明显，有助于学生认识工业模拟炼铁的主要原理［4］，初步形成学习物质及其变化的基本思路，以及在一定条件下通过化学反应实现物质转化的化学观念。

4.3 安全性高

利用二氧化碳排尽试管中的空气，避免了在密封的试管中一氧化碳可能发生爆炸的危险，确保实验的安全性；炽热的木炭放在玻璃纤维布上，有效防止了试管炸裂的危险；实验时还通过推动注射器调节气压，确保了安全。

4.4 防止污染

整个实验设计在密封的装置中进行，防止一氧化碳的泄漏对环境造成污染；少量的实验尾气一氧化碳最终收集在两个注射器中，最终被点燃以清除隐患。

4.5 注射器的多种作用

注射器的作用体现在以下几点：（1）检查装置气密性时，根据观察注射器上活塞的位置可直观感知气密性是否良好；（2）加热时，注射器活塞移动可缓冲内部气压，防止橡皮塞弹出；（3）推拉注射器可使装置内气流发生定向移动，使二氧化碳与木炭、一氧化碳與氧化铁充分接触，从而促使反应完全；（4）预热后对木炭进行加热，观察注射器活塞的移动情况，再结合反应原理，可帮助学生从定量的视角理解化学反应，发展对化学变化的定量认识和推理能力，突破学习的难点；（5）注射器左右推拉促使气体流动，加快装置冷却，提升了课堂的时效；（6）注射器从两侧吸气进行尾气的处理，方便简洁。

5 引导学生深度学习

教材原实验没有对产物的检验方法做具体的介绍，一般教学中通常可用两种方法来验证有铁生成：（1）取反应后所得黑色固体于试管中滴加稀盐酸（或稀硫酸），观察是否有气泡产生；（2）取反应后所得黑色固体于试管中滴加硫酸铜溶液，观察是否有红色固体产生。但实验中由于生成的铁粉颗粒较小，加入酸溶液或硫酸铜溶液时粉末不会快速沉降，干扰实验现象的观察。本实验改进为向点滴板中滴加两份硫酸铜溶液，向其中一份加入所得的黑色固体，经搅拌、静置，观察溶液颜色的变化。利用白色点滴板作对比实验展示溶液颜色的变化，实验现象明显，更有利于学生的观察。

本设计通过实验与观察，对比分析反应前后固体的颜色、条形磁铁的吸引情况、注射器内气体体积的变化，强化证据推理、模型解释、反思与创新等思维能力，引导学生从宏微符结合、定性和定量结合、现象与本质等多角度认识化学反应，突破学习的难点，引导深度学习，发展核心素养［5］。

参考文献：

［1］中学化学国家课程标准研制组. 义务教育教科书·化学（九年级上册）［M］. 上海： 上海教育出版社， 2017： 124～125.

［2］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022.

［3］洪燕茹， 郑舒琳， 鲁翩翩， 蔡开聪. 高炉炼铁实验的新设计［J］. 化学教学， 2023，（2）： 71～73.

［4］韩万中， 钱明安， 赵英新. CO结构、性质及反应原理的思考和教学［J］. 化学教学， 2019，（9）： 94～95.

［5］刘庆华， 何彩霞， 王妩艳. 基于化学学科理解的教学实践——以初中化学“金属资源的利用和保护”为例［J］. 化学教学， 2022，（9）： 40～42.