一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)裝置的新設(shè)計(jì)

章小娥

摘要： 針對(duì)教材中一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的不足之處，在相關(guān)文獻(xiàn)評(píng)析的基礎(chǔ)上，利用W形管的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)新裝置。用新裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)具有微型、環(huán)保、視覺(jué)效果好、有效控溫、一體化及易推廣等優(yōu)點(diǎn)。另外，W形管還可延伸應(yīng)用到初中化學(xué)的其他實(shí)驗(yàn)中。

關(guān)鍵詞： W形管; 一氧化碳還原氧化鐵; 反應(yīng)新裝置; 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 1005-6629（2019）5-0069-05 ? ? ? ? ? ?中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

W形管是把玻璃管加工成形似字母W的一種玻璃儀器，可用于固固反應(yīng)、固液反應(yīng)、液液反應(yīng)，加熱、不加熱都可以使用，利于學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)。一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)是初中化學(xué)教材中重要的模擬工業(yè)的實(shí)驗(yàn)裝置，在課堂上演示操作較復(fù)雜、耗時(shí)也較長(zhǎng)。筆者嘗試?yán)肳形管對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，讓實(shí)驗(yàn)裝置更微型化、實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)約化、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更可視化。

1 ?裝置設(shè)計(jì)的緣起

1.1 ?教材實(shí)驗(yàn)裝置分析

教材中一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)裝置（見(jiàn)圖1）是在實(shí)驗(yàn)室模擬復(fù)雜的高爐煉鐵原理的簡(jiǎn)易裝置，也是滬教版教材（2012年審定）唯一的模擬化工工業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置。一方面該裝置能讓教材閱讀者初步理解和體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室模擬工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的思想和方法，另一方面該裝置還發(fā)揮著對(duì)“氣體與固體加熱”反應(yīng)裝置模型的認(rèn)知和模型的建構(gòu)功能。

在課堂實(shí)際教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)圖1裝置存有一些需要補(bǔ)充和改進(jìn)的地方。

（1） CO的來(lái)源： 教材中沒(méi)有明確CO的來(lái)源，在實(shí)際課堂教學(xué)中教師使用的CO大多來(lái)源于儲(chǔ)存有CO的氣囊或儲(chǔ)氣罐，也有教師專(zhuān)門(mén)買(mǎi)來(lái)CO鋼瓶作為氣源。在使用過(guò)程中，氣囊需要按壓，按壓力度的輕重會(huì)影響氣流速度;儲(chǔ)氣罐需要不停加水，水流完氣體就不出來(lái)了，導(dǎo)致氣體流速不勻或不連續(xù);CO鋼瓶則有可能會(huì)出現(xiàn)泄漏的危險(xiǎn)。

（2） 儀器組裝： 氣源、硬質(zhì)玻璃管與后面二氧化碳的檢驗(yàn)裝置、尾氣處理裝置之間的連接較為復(fù)雜，搭建一套裝置耗時(shí)較長(zhǎng)。

（3） 尾氣處理： 教材中沒(méi)有明確尾氣處理裝置，大多數(shù)教師一般在裝置最右端用一個(gè)燃著的酒精燈進(jìn)行點(diǎn)燃處理。如果處理不當(dāng)，CO達(dá)到爆炸極限，點(diǎn)燃時(shí)易發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。

（4） 產(chǎn)物檢驗(yàn)： 受課堂時(shí)間限制，通常沒(méi)有充足的時(shí)間等裝置完全冷卻。一般教師在得到黑色粉末后，在硬質(zhì)玻璃管外用一磁鐵吸引粉末，發(fā)現(xiàn)粉末被吸引，就認(rèn)為得到了還原鐵粉，缺少對(duì)黑色產(chǎn)物的進(jìn)一步檢驗(yàn)。

1.2 ?利用W形管或V形管對(duì)此實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的研究

一線(xiàn)教師對(duì)“一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)作了大量的研究，其中利用W形管或V形管對(duì)此實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)主要為以下兩種裝置（見(jiàn)圖2、圖3）。

將氧化鐵放在W形管和V形管的凹槽處，CO用甲酸和濃硫酸現(xiàn)制或者用針筒推動(dòng)提供。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置都比較微型且簡(jiǎn)捷，所用氣體量少并均用氣球進(jìn)行尾氣處理。

1.3 ?裝置進(jìn)一步改進(jìn)的空間

教材實(shí)驗(yàn)裝置及一線(xiàn)教師已有的研究為實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步改進(jìn)提供了寶貴的借鑒資源。

（1） 從課堂觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，一氧化碳和氧化鐵反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)大都以教師演示實(shí)驗(yàn)或者播放實(shí)驗(yàn)視頻為主，很少有學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。其實(shí)，該研究十分適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，可讓學(xué)生親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的探究過(guò)程。

（2） 考慮設(shè)計(jì)通過(guò)改變?cè)噭┑募尤敕绞胶蜔嵩吹奶峁┓绞剑纬梢惶装踩h(huán)保、科學(xué)、簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置。

2 ?利用W形管對(duì)裝置的改進(jìn)

2.1 ?初步嘗試

受一線(xiàn)教師研究的啟發(fā)，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)進(jìn)行了初步的嘗試（見(jiàn)圖4）。

裝置包括一個(gè)3個(gè)彎的W+V形管，熱源為兩個(gè)酒精燈，其中一個(gè)酒精燈帶燈罩。利用該裝置進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，藥品添加比較麻煩，實(shí)驗(yàn)最終能得到可以被磁鐵吸引的黑色粉末，但是加稀硫酸沒(méi)有氣泡產(chǎn)生，可見(jiàn)產(chǎn)物中并沒(méi)有鐵。

2.2 ?文獻(xiàn)分析

筆者聯(lián)想到2011年滬教版九年級(jí)《化學(xué)（上冊(cè)）》教材中一氧化碳還原氧化鐵裝置中用酒精燈作為熱源（見(jiàn)圖5），后來(lái)在教材修訂時(shí)將反應(yīng)熱源改為酒精噴燈（見(jiàn)圖1）。這個(gè)改動(dòng)蘊(yùn)含著怎樣的科學(xué)依據(jù)呢？

通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，劉懷樂(lè)在“一氧化碳還原氧化鐵的實(shí)證探索與教學(xué)思考”一文中指出CO還原氧化鐵是有條件的[1]。

不同物質(zhì)的穩(wěn)定性對(duì)溫度的依賴(lài)性不同（見(jiàn)圖6），在一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)過(guò)程中有如下的反應(yīng)： 3Fe2O3+CO400～500℃2Fe3O4+CO2; Fe3O4+CO500～600℃3FeO+CO2; FeO+CO600℃以上Fe+CO2。

朱洪法的《實(shí)用化工詞典》則提出，當(dāng)溫度高于710℃， Fe穩(wěn)定存在;680～710℃之間，F(xiàn)eO穩(wěn)定存在;低于680℃，則主要是Fe3O[2]4。

梁瑜、孫清亞、莘贊梅在“應(yīng)用新技術(shù)研究‘一氧化碳還原氧化鐵的產(chǎn)物”一文中利用掃描電子顯微鏡和能譜儀對(duì)用普通酒精燈、帶網(wǎng)罩的酒精燈、酒精噴燈在進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)時(shí)的產(chǎn)物測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1、表2[3]。

綜上文獻(xiàn)分析，要想得到鐵，實(shí)驗(yàn)溫度必須超過(guò)710℃。

2.3 ?二次改進(jìn)

在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，筆者用內(nèi)徑為7mm的耐高溫的W形石英管對(duì)裝置進(jìn)行了再次改進(jìn)（見(jiàn)圖7）。

該裝置舍棄檢驗(yàn)二氧化碳的部分，側(cè)重產(chǎn)物鐵的獲得與鐵的檢驗(yàn)，且只有兩個(gè)彎更便于藥品的添加。但用該裝置進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)時(shí)又發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題，酒精噴燈需要預(yù)熱，且預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)，通常要一分鐘左右甚至更長(zhǎng)。

2.4 ?設(shè)計(jì)方案

能否找到比酒精噴燈更便捷且能提供710℃以上高溫的加熱儀器呢？筆者受餐桌上現(xiàn)場(chǎng)燒烤牛肉的丁烷噴槍的啟發(fā)，通過(guò)淘寶網(wǎng)站，網(wǎng)購(gòu)了一套丁烷噴槍?zhuān)f(shuō)明書(shū)上溫度注明可達(dá)到1350℃。該噴槍為了達(dá)到安全使用的目的，在噴頭處進(jìn)行了防爆設(shè)計(jì)。使用時(shí)打開(kāi)氣閥，按下開(kāi)關(guān)，即噴出美麗且明亮的藍(lán)色火焰，這樣就得到了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的最終裝置（見(jiàn)圖8）。

裝置雖然使用耐高溫的石英玻璃管，但溫度過(guò)高也可能導(dǎo)致石英玻璃管軟化，為了保證實(shí)驗(yàn)的安全、有效，必須控制好溫度和時(shí)間。筆者利用高溫傳感器（量程0～1200℃）進(jìn)行了輔助實(shí)驗(yàn)，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用噴槍加熱氧化鐵處的彎管凹槽40～50秒實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較明顯，此時(shí)傳感器的溫度顯示一般在1000℃左右，耐高溫的石英玻璃管略顯紅熱狀態(tài)，但未軟化。

3 ?實(shí)驗(yàn)操作步驟和現(xiàn)象

3.1 ?操作步驟

（1） 檢查裝置氣密性。

（2） 添加氧化鐵、濃硫酸與甲酸等藥品，其中濃硫酸加到彎管凹槽一半的位置即可。

（3） 利用針筒注入甲酸，注意混合液體積不能超過(guò)凹槽部分，加熱混合液體，通一段時(shí)間CO。

（4） 點(diǎn)燃噴槍?zhuān)訜嵫趸F處的彎管凹槽45秒左右。

（5） 熄滅噴槍?zhuān)^續(xù)通CO一段時(shí)間，待裝置冷卻到室溫。

（6） 將裝有甲酸溶液的注射器換成裝有水的注射器，將水注入濃酸的混合液中形成稀

酸，然后將W形管傾斜，使稀酸進(jìn)入第二個(gè)凹槽中，與粉末接觸，檢驗(yàn)產(chǎn)物。

3.2 ?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

噴槍加熱完畢后看到紅色粉末變?yōu)楹谏捕诵馇蚺蛎洠尤胂∷岷罂焖佼a(chǎn)生大量氣

泡，且溶液變?yōu)闇\綠色。

4 ?裝置設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

（1） 微型。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)徑為7mm的石英管內(nèi)進(jìn)行，藥品用量少。

（2） 環(huán)保。實(shí)驗(yàn)裝置微型且密閉，所以整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)保且安全。

（3） 視覺(jué)效果好。雖然實(shí)驗(yàn)藥品用量少，但現(xiàn)象明顯，粉末由紅變黑，檢驗(yàn)時(shí)大量氣泡和溶液的淺綠色，都能在短時(shí)間內(nèi)觀(guān)察到。

（4） 有效控溫。利用丁烷噴槍反應(yīng)溫度能有效控制在710℃以上。

（5） 一體化。裝置融合了氣體的發(fā)生、物質(zhì)反應(yīng)、尾氣的處理三部分功能，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)連續(xù)、高效和簡(jiǎn)練。

（6） 易推廣。本實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程安全，裝置搭建簡(jiǎn)單，且實(shí)驗(yàn)中用到的石英管和噴槍的價(jià)格適宜。筆者定制的石英管60元一根，網(wǎng)購(gòu)的噴槍1個(gè)噴頭加4個(gè)氣罐79元，如果批量生產(chǎn)和批發(fā)，價(jià)格還可以更低，因此可以推廣到學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

5 ?W形管在初中實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中的拓展延伸

一氧化碳還原氧化鐵是利用W形管改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)案例，在初中化學(xué)中，還有很多實(shí)驗(yàn)可以利用W形管進(jìn)行改進(jìn)，詳見(jiàn)表3。

參考文獻(xiàn)：

[1]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）： 13～15.

[2]朱洪法. 實(shí)用化工詞典[M]. 北京： 金盾出版社， 2004： 12.

[3]梁瑜、 孫清亞、 莘贊梅. 應(yīng)用新技術(shù)研究“一氧化碳還原氧化鐵”的產(chǎn)物[J]. 化學(xué)教育， 2014， （23）： 44～46.