“一氧化碳還原氧化鐵”實(shí)驗(yàn)裝置新設(shè)計(jì)

魏海+周良+李德前

摘要：為了增強(qiáng)疑難實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，研制了一套“一氧化碳還原氧化鐵”的新實(shí)驗(yàn)裝置。依據(jù)注射器原理，巧妙設(shè)計(jì)了一個(gè)全封閉的反應(yīng)體系，既能方便地加入氧化鐵粉末，又能免用一氧化碳來(lái)徹底清除反應(yīng)管中的空氣，使氧化鐵在充滿一氧化碳?xì)饬鞯沫h(huán)境中受熱，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性和可操作性。

關(guān)鍵詞：一氧化碳；氧化鐵；還原反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005–6629（2017）9–0066–03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

在現(xiàn)行滬教版（全國(guó)通用教材）、魯教版、仁愛(ài)版九年級(jí)化學(xué)教科書(shū)中，均安排了“一氧化碳還原氧化鐵”實(shí)驗(yàn)[1～3]。教科書(shū)上該實(shí)驗(yàn)方案的最大不足是，不能及時(shí)知道玻璃管內(nèi)的空氣何時(shí)排完，因而增加了實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、加大了藥品用量[4]。

近年來(lái)，很多化學(xué)教育工作者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，如王寶權(quán)老師依據(jù)注射器原理對(duì)該實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)體系進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)[5]（實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)筆者繪制的圖1），但其改進(jìn)方案中的氧化鐵是在靜態(tài)的一氧化碳?xì)怏w中受熱，這不符合高爐煉鐵的原理；另外，借助插入活塞中的燃燒匙將固體粉末投放于水平玻璃管的中部位置，操作起來(lái)難度較大（因?yàn)槿紵椎你~質(zhì)小勺與鐵絲柄是垂直的）。受王寶權(quán)老師改進(jìn)思路的啟發(fā)，筆者對(duì)“一氧化碳還原氧化鐵”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)用品

氣囊（存儲(chǔ)一氧化碳?xì)怏w）；20mm×180mm的石英玻璃管（可從淘寶網(wǎng)定制），與之配套的特殊橡皮塞（用3號(hào)橡皮塞加工而成）；單孔活塞（用20mL注射器的活塞加工而成），與單孔活塞配套的1mm×6mm×200mm的金屬管（建材市場(chǎng)、水暖商店、空調(diào)修理處、淘寶網(wǎng)等均有售）；250mL的廣口瓶，與廣口瓶配套的雙孔橡皮塞；酒精噴燈；乳膠管、玻璃導(dǎo)管、7號(hào)注射器針頭；鐵架臺(tái)（含有鐵夾）等

氧化鐵粉末，一氧化碳?xì)怏w，澄清石灰水等

2 實(shí)驗(yàn)操作

2.1 自制單孔活塞及斜口金屬管

（1）取一根外徑約6mm、管壁厚約1mm、長(zhǎng)約200mm的金屬管，并將其一端打磨成斜口。

（2）從20mL注射器上取下活塞，在活塞中心打孔，使其成為單孔活塞（該活塞與20mm×180mm石英玻璃管內(nèi)壁正好吻合）。

（3）像圖2那樣，將斜口金屬管插入單孔活塞中，僅露出斜口（金屬管既是導(dǎo)氣管又是活塞推桿）。

2.2 制作特殊橡皮塞

（1）取一個(gè)3號(hào)橡皮塞（大頭直徑23mm、小頭直徑17mm、高26mm），在其小頭的中心挖一個(gè)凹孔（不穿透），使金屬管的斜口剛好能完全插入（見(jiàn)圖3）。

（2）在橡皮塞的中孔與邊緣之間，插入7號(hào)注射器針頭，并露出橡皮塞少許，然后將針尖打磨掉（見(jiàn)圖3）。

2.3 連接實(shí)驗(yàn)裝置

（1）取適量氧化鐵粉末放在金屬管的斜口里，然后將帶有活塞的斜口金屬管小心翼翼地插入20mm×180mm的石英玻璃管內(nèi)（見(jiàn)圖4-A），并將活塞推至玻璃管的最左端，使金屬管的斜口完全插入橡皮塞的預(yù)留凹孔內(nèi)（見(jiàn)圖4-B）。然后根據(jù)酒精噴燈外焰的位置，將石英玻璃管固定到鐵架臺(tái)上。

（2）取一個(gè)250mL的廣口瓶，注滿澄清的石灰水，然后在瓶口塞上帶有兩根長(zhǎng)導(dǎo)管的雙孔橡皮塞（見(jiàn)圖5）；該儀器組合可以檢驗(yàn)二氧化碳?xì)怏w、收集尾氣[6]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)多功能瓶）。

（3）按圖6連接好整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，輕輕打開(kāi)玻璃旋塞少許，釋放少量的一氧化碳?xì)怏w。如果觀察到多功能瓶?jī)?nèi)立即冒出氣泡，同時(shí)排液管口有液體流出，則說(shuō)明裝置不漏氣。

（4）手持金屬管，向右緩緩拉動(dòng)活塞，這樣一氧化碳?xì)怏w就會(huì)被吸入石英玻璃管里（這樣封閉的玻璃管內(nèi)幾乎沒(méi)有空氣殘留）；當(dāng)活塞被拉到石英玻璃管的中部時(shí)停止，此時(shí)擰松鐵架臺(tái)上的鐵夾，輕輕旋轉(zhuǎn)石英玻璃管180°，將氧化鐵粉末全部?jī)A倒在玻璃管內(nèi)，并用手指輕彈玻璃管中部，以使氧化鐵粉末盡量平鋪在玻璃管底；再次旋緊鐵夾，繼續(xù)向右拉動(dòng)活塞，在距離石英玻璃管的右端口2～3cm的位置停下，然后關(guān)閉玻璃旋塞。

2.4 進(jìn)行CO還原氧化鐵的實(shí)驗(yàn)

（1）點(diǎn)燃酒精噴燈，預(yù)熱石英玻璃管；然后打開(kāi)玻璃旋塞，緩緩釋放適量的一氧化碳?xì)怏w，同時(shí)酒精噴燈的外焰對(duì)準(zhǔn)氧化鐵粉末加熱（見(jiàn)圖7）。

（2）當(dāng)加熱到約80s時(shí)，多功能瓶下部的石灰水明顯變渾；加熱到約120s，紅棕色粉末開(kāi)始變?yōu)楹谏宜訙啙幔患訜岬郊s200s，紅棕色粉末全部變?yōu)楹谏Ｉ院螅缇凭珖姛簦P(guān)閉玻璃旋塞，并把彈簧夾夾到乳膠管上（以防石灰水倒流）。

（3）當(dāng)石英玻璃管冷卻至溫室時(shí)，松開(kāi)彈簧夾，向左推動(dòng)活塞，以使玻璃管內(nèi)殘留的氣體全部進(jìn)入多功能瓶；接下來(lái)，拔掉雙孔橡皮塞，直接點(diǎn)燃多功能瓶?jī)?nèi)的尾氣。

（4）拔掉玻璃管左端口上的橡皮塞，倒出玻璃管內(nèi)的黑色固體于白紙上，用磁鐵靠近，黑色粉末被吸引；再取少許黑色粉末裝入試管里，滴加足量的稀鹽酸（或硫酸銅溶液），溶液中冒氣泡（或黑色粉末變紅色）。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，還原出來(lái)的固體產(chǎn)物有鐵。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，拆開(kāi)實(shí)驗(yàn)裝置，清洗、整理實(shí)驗(yàn)用品。

3 注意事項(xiàng)

（1）如果活塞在石英玻璃管內(nèi)移動(dòng)時(shí)的摩擦力較大，可以在活塞的側(cè)面涂抹少許氧化鐵粉末（或醫(yī)用滑石粉）。

（2）在連接實(shí)驗(yàn)裝置的過(guò)程中，為了防止金屬管斜口內(nèi)的氧化鐵粉末提前灑落下來(lái)，必須先將石英玻璃管固定在鐵架臺(tái)上，然后插入帶有活塞的斜口金屬管。

（3）多功能瓶要用大容積的廣口瓶（如250mL），以確保尾氣能被完全收集在廣口瓶里；多功能瓶?jī)?nèi)進(jìn)氣管的管口，要比排液管的管口略高，以防氣體從排液管逸至瓶外，污染環(huán)境。

4 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1）本套實(shí)驗(yàn)裝置，還可以演示“氫氣還原氧化銅”實(shí)驗(yàn)[8]、“一氧化碳還原氧化銅”實(shí)驗(yàn)[9]。

（2）本實(shí)驗(yàn)類(lèi)似注射器的反應(yīng)體系，能確保石英玻璃管內(nèi)只有一氧化碳?xì)怏w而沒(méi)有空氣；單孔活塞與斜口金屬管的組合，巧妙解決了向封閉裝置里添加固體藥品的難題，而且該組合可以反復(fù)使用。因此，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性、可操作性和實(shí)用性。

（3）整個(gè)實(shí)驗(yàn)均在封閉的反應(yīng)體系里進(jìn)行，體現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化；完成本實(shí)驗(yàn)所需的一氧化碳?xì)怏w較少（不到150mL），體現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)約化。

總之，本套“一氧化碳還原氧化鐵”實(shí)驗(yàn)裝置的研制和使用，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，方便化學(xué)教師演示實(shí)驗(yàn)，同時(shí)豐富了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝備、提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]中學(xué)化學(xué)國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].上海：上海教育出版社，2011：124.

[2]畢華林，盧巍.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)下冊(cè)）[M].濟(jì)南：山東教育出版社，2012：59.

[3]北京市仁愛(ài)教育研究所.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)下冊(cè)）[M].北京：北京教育出版社，2012：41～42.

[4]馬逸群.安全便捷的一氧化碳還原氧化鐵實(shí)驗(yàn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2012，（3）：16～17.

[5]王寶權(quán).一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2014，（7）：27～28.

[6]李德前. CO還原CuO實(shí)驗(yàn)中尾氣處理的又一種方法[J].中學(xué)化學(xué)，2003，（9）：23～23.

[7]劉懷樂(lè).一氧化碳還原氧化鐵的實(shí)證探索與教學(xué)思考[J].化學(xué)教學(xué)，2007，（11）：13～16.

[8]姚子鵬，陳基福，洪東福.九年義務(wù)教育課本·化學(xué)（九年級(jí)第二學(xué)期）[M].上海：上海教育出版社，2015：31.

[9]課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社，2015：124.