CO還原氧化鐵實驗裝置的改進

閆相友

摘要： 針對教材實驗存在的一些問題，組織學生興趣小組進行一氧化碳還原氧化鐵實驗裝置的改進探索，有助于學生加深了解一氧化碳的制取、驗純、干燥、收集及排出方法等知識。通過改進可以直觀判斷裝置中的空氣是否排盡，并對實驗尾氣進行檢驗和回收。改進后的實驗藥品用量少、效果好、安全性高，既環保又節能，并推廣為學生分組實驗。

關鍵詞： 一氧化碳還原氧化鐵; 裝置改進; 實驗探究; 學生興趣小組

文章編號： 1005-6629（2022）05-0068-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

化學是一門以實驗為基礎的學科，科學探究是學習化學的重要而有效的方式，科學探究始于問題，問題的解決可以提升學生的學科素養[1]。實驗可以培養學生的規范意識和小組合作能力。但目前許多教師在實驗教學中以課本設計好的實驗為主導，利用準備好的儀器和藥品讓學生開展實驗探究。這與其說是實驗探究還不如說是實驗驗證更為合適，實驗的設計和教師的設定很大程度上限制了學生的想象力。如何在實驗中進一步挖掘其育人價值，有效落實“三思而后行”與“行后而三思”的實驗理念，是每一位化學教師都應認真探討的問題。筆者認為，在實驗教學中應引導學生多提幾個為什么，明確提出問題的模式：因為……所以……，我認為怎樣處理效果會更好，等等。從方案、藥品、裝置等角度進行分析，在改進中提升對實驗的認知。

魯教版九年級化學第四單元第一節“常見的金屬材料”中設置了“金屬礦物及其冶煉”的知識模塊，讓學生了解常見的金屬礦產資源以及在自然界中的存在形式，知道礦產資源不可再生，從而形成保護和合理開采礦產資源的意識。教材中設計了探究“工業煉鐵的化學原理”實驗，學生通過實驗探究了解工業冶煉金屬的一般原理和方法，理解氧化反應和還原反應的概念。不同版本的教材中均設計了類似的實驗探究，鐵礦石通過一系列復雜的化學變化冶煉成鐵，充分體現了通過化學變化可以改造和創造物質的化學基本觀念[2]。魯教版課本設置了簡單的關于煉鐵原理的實驗探究，體現了化繁為簡的思想以及實驗指導化工生產的理念。

教材采用如圖1所示的實驗裝置[3]，旨在模擬工業煉鐵的原理，但沒有給出整套的實驗裝置。由于實驗中用的一氧化碳氣體有毒、不純會發生爆炸，所以實驗前教師一般會采用觀看視頻或口述的方法對一氧化碳的有關知識和實驗注意事項進行反復強調。通過調查發現，由于該實驗操作繁瑣，危險系數很高等諸多因素，許多教師均采用視頻方法代替演示實驗，把“做”實驗變成“看”實驗，剝奪了學生對實驗的直觀感知，將“多感官”聯動的實驗教學縮減為一般的視覺認知，大大降低了實驗教學的有效性和應有價值。

也有教師為了便于學生記憶實驗的先后順序，采用如圖2所示的順序軸。

并在分析的過程中逐一明確實驗中各步驟、各注意事項的原因：

實驗前，先檢驗一氧化碳氣體的純度。

實驗開始時，要先通入一氧化碳，再加熱。目的是用一氧化碳排凈玻璃管中的空氣，以免加熱時，玻璃管中的一氧化碳和空氣的混合氣體受熱發生爆炸（一氧化碳要“早出晚歸”，即先通氣，再點燈;先熄燈，再停氣）。

實驗結束時，要先撤離酒精噴燈，繼續通入CO，待玻璃管冷卻后，再停止通入一氧化碳，并撤掉酒精燈。目的是防止空氣進入，與高溫的鐵反應（或防止灼熱的鐵被空氣中的氧氣氧化）。

尾氣處理： 由于CO氣體有毒，直接排放到空氣中會污染空氣，故在裝置末端放一個燃著的酒精燈，用于點燃未反應的一氧化碳，防止污染空氣（也可用氣球收集后再處理，但是氣球脹大后壓力增大，不利于氣體流通）。

石灰水的作用： 檢驗及吸收二氧化碳氣體。

這樣的授課方式將實驗探究變成了講實驗、背實驗，失去了實驗教學的魅力。為了最大程度地讓學生參與到探究中來，筆者在講授本節內容前一周，采用“興趣小組實驗探究法”，利用課外活動時間，將教材實驗進行逐一探尋。將知識清單發給各個興趣小組，開展組內討論，將實驗中的問題找出來，進行實驗解密。在原理探知、裝置改進的過程中加深學生對本實驗的認知。通過此環節，授課時多了一些“小老師”，變老師講為學生分享，提高了學生的積極性和表達能力。

1 一氧化碳的制取和儲存

教材中的裝置（見圖1）只是展示了反應及尾氣處理裝置，沒有明確CO的來源，很多學校的條件也難以儲備一氧化碳。學生在實驗中就產生了疑問： 一氧化碳是如何制取的？實驗中所用的一氧化碳用什么儀器儲存？此裝置能否持續穩定地給反應提供一氧化碳？……

學生通過查閱資料，知道實驗室制取一氧化碳的反應藥品是甲酸和濃硫酸[4]。其反應原理是：

HCOOH濃H2SO480—90℃CO↑+H2O

根據反應物的狀態和反應條件，可以選擇“液液加熱型”發生裝置。該反應所需溫度不高，可選擇水浴加熱來代替酒精燈直接加熱，優點是受熱面積大，比較穩定安全。學生設計了如圖3所示的氣體發生和收集裝置。

所用儀器： 鐵架臺、分液漏斗、圓底燒瓶、溫度計、雙孔塞、導氣管、T型管、彈簧夾、水槽、集氣瓶、燒杯。

操作： 組裝儀器，檢查裝置的氣密性;向圓底燒瓶中加入適量濃硫酸，用水浴給濃硫酸加熱，從分液漏斗中滴加甲酸;打開彈簧夾a，用排水法收集一小試管氣體，檢驗純度，待氣體純凈后，打開止水夾b，關閉止水夾a，收集氣體。

該實驗中有以下幾個改進點：

（1） 一氧化碳吹肥皂泡，檢驗氣體的純度。

有幾個興趣小組借用前面探究氫氣可燃性時所采用的檢驗方法： 將氣體通入肥皂水中產生大量的肥皂泡，再用火柴點燃肥皂泡。剛開始聽到尖銳的爆鳴聲，說明氣體不純，后面聽到“噗”的聲音，然后安靜地燃燒，說明一氧化碳比較純凈了。

此方法改變傳統的驗純方法，使實驗趣味性增強了，既節約了藥品，又提高了實驗的可視性與安全系數。

（2） 一氧化碳的收集與排出。

一氧化碳的收集及實驗中怎樣將一氧化碳排出，一直是學生熱烈討論的焦點問題。

有學生建議直接將發生裝置連入教材所示裝置（見圖1）中進行實驗，但很多學生提出了質疑： 一是裝置儀器多，不便于攜帶，在每個班進行實驗時都要重新組裝、檢查氣密性等，比較浪費時間;二是所用的藥品濃硫酸有強烈的腐蝕性，甲酸也易揮發，攜帶使用時存在安全隱患。

有學生設計了如圖3所示的方法： 先收集一瓶一氧化碳氣體，實驗時再從長管中慢慢注入水，將一氧化碳排入反應裝置中。此方法的問題在于若是實驗室中有水龍頭，此法操作還算方便;若是在教室（無水龍頭）中進行演示，

用水排出的方法就顯得不易操作，也不易控制水速。有學生建議在長管上連一個分液漏斗（如圖4所示），通過控制水的滴加速率來控制排出一氧化碳氣體的速率。不過雖然方便了實驗，但實驗中又多了一個固定裝置，還需有專人負責加水，反應時間較長，顯然不太合適，還需作進一步優化。

有學生通過反復實驗又提出了一個新方法： 用燒杯收集一氧化碳（如圖5所示）。將兩個容積相近的燒杯倒扣并裝滿水，先用排水法收集一氧化碳。因兩個燒杯容積相近，里面的燒杯收集氣體后不會側翻。使用時，因燒杯重力作用，會慢慢地將氣體排入反應裝置中;又因為浮力存在，燒杯不會下降太快，保證了氣體排出的速率。此裝置的改進，克服了圖4裝置的不足，既便于攜帶，裝配簡單，增強了實驗的可視性，又始終處于液封狀態，保證了裝置的氣密性。

還有學生受此裝置的啟發，改用兩個礦泉水瓶（如圖6所示）收集一氧化碳氣體，改進后的裝置更加容易裝配，且輕便易攜帶。將廢舊物品引入實驗，體現了實驗綠色化的理念。

（3） 一氧化碳氣體的干燥。

在實驗過程中，學生發現硬質玻璃管中有水霧，這是一氧化碳氣體沒有干燥的緣故。學生討論決定，在一氧化碳進入反應裝置前需作干燥處理，但需要什么干燥劑時，學生展開了討論。

初中階段常見的干燥劑有濃硫酸和氫氧化鈉固體。一氧化碳是一種不成鹽氧化物，既不和濃硫酸反應，也不與氫氧化鈉反應，所以兩種干燥劑都可用。若用濃硫酸做干燥劑，采用的是洗氣瓶，若用氫氧化鈉做干燥劑，采用的是干燥管（如圖7所示）。兩套裝置各有利弊： 用濃硫酸來干燥氣體，可以通過觀察氣泡快慢得知一氧化碳的產生速率，洗氣瓶能放置在實驗臺上，不用固定;用氫氧化鈉做干燥劑便于攜帶，但需要多一個鐵架臺來固定。

2 何時知道裝置中的空氣排凈

實驗前要先通入一氧化碳，排凈裝置中的空氣，防止加熱時發生爆炸，但是如何知道裝置中的空氣排干凈了呢？

部分學生采用類似氫氣驗純的方法： 在裝置末尾連接一導氣管，用排水法收集一小試管氣體，用拇指堵住試管口，移向酒精燈火焰處進行檢驗，如果聽到尖銳的爆鳴聲則證明沒有排凈，如果聽到“噗”的一聲，則證明排干凈了。此方法容易想到，也便于學生理解，但是整個過程中缺乏直觀感知，存在猜的成分，需要多次檢驗，比較浪費時間，若操作不當，還會產生誤判，造成危險。

有學生根據前面學習測定空氣成分的實驗，提出可以用“水量法”測出實驗裝置中硬質玻璃管的容積，然后粗略估算導氣管的容積。用“水量法”找出集氣瓶相應容積的位置，套上一個彩色橡皮筋作為標記（如圖8所示）[5]。實驗開始時，打開彈簧夾，一氧化碳緩緩地進入反應裝置，集氣瓶中的水位逐漸下降，當液面下降到刻度線時，說明裝置中的空氣已基本排凈，可以點燃酒精噴燈進行加熱。

部分學生為了對產生的氣體進行檢驗，將集氣瓶中的水換成了澄清石灰水，實驗中可以明顯地看到石灰水變渾濁。因為氫氧化鈣微溶于水，吸收二氧化碳的能力較弱，學生為了將混合氣體除雜并回收一氧化碳氣體，將集氣瓶中的溶液又換成氫氧化鈉和氫氧化鈣的混合溶液，既看到了明顯的現象，又進行了尾氣處理。

應注意此裝置中進氣管要略短于排液管，防止氣泡進入排液管，為了讓氣體中的二氧化碳充分吸收，進氣管也不能過短，應盡可能地靠近集氣瓶底部。

裝置改進后既可以直觀地顯示裝置中的空氣是否排凈，又可以檢驗并吸收產生的二氧化碳氣體，還能收集未反應的一氧化碳氣體，實現尾氣處理。實驗結束后，還可以將這部分氣體導入儲氣裝置中實現循環使用，從而節約藥品。

3 為什么要冷卻到室溫才停止通入CO

教材所示的實驗中，反應結束后應繼續通入CO直到冷卻到室溫。很多資料給出的解釋是防止灼熱的Fe被氧氣氧化。有的學生提出了疑問： 裝置拆開了，會有氧氣進入，若沒有拆開哪來的氧氣呢？用圖1裝置時，熄滅酒精噴燈后，繼續通入一氧化碳，作用不應該僅僅是防止鐵被氧化？可以設想，若裝置未拆開，熄滅了酒精噴燈，反應裝置的溫度降低，壓強會減小，澄清石灰水會倒吸到硬質玻璃管中，所以繼續通入一氧化碳應該還起到防止水倒吸的作用！

學生經過討論和分析，又對裝置進行了改進（見圖9）： 一部分學生在反應裝置的兩端，分別加上一個活塞;還有一些學生在反應裝置兩端分別連接一小段橡膠管，夾上彈簧夾。反應結束后，關閉兩端的活塞或夾上彈簧夾，停止通入一氧化碳，冷卻到室溫后，經過檢驗，發現鐵粉沒有被氧化，還有效防止了水倒吸。這樣的改進既節約藥品、節省能源，又增加了實驗的安全性和可靠性。

4 結束語

每一個化學實驗的設計，總會有一些潛在的問題。教學中，應引導學生在實驗中隨時發現問題、分析問題，進而解決問題。一氧化碳還原氧化鐵實驗中學生所提出的幾個問題的探究和解決，培養了學生大膽質疑的科學精神;對實驗裝置的改進，培養了學生的實驗創新能力;通過挖掘實驗教學的育人價值，提升了學生的化學素養。改進后的實驗裝置安全、方便、可視性強，綠色環保理念滲透其中，有效降低了課前準備的負擔，解決了該實驗在課堂教學中的難題，并成功地將一般的演示實驗推廣為學生分組實驗，促進了化學實驗教學的真正落實。

參考文獻：

[1][2]盧巍. 魯教版化學九年級教師教學用書[M]. 濟南： 山東教育出版社， 2019： 145～150.

[3]畢華林， 盧巍. 義務教育教科書·化學（八年級全一冊）[M]. 濟南： 山東教育出版社， 2019： 9～13.

[4]吳曉穎， 王振， 張明月. 一氧化碳還原氧化鐵實驗的改進[J]. 化學教學， 2020， （3）： 72～75.

[5]馬逸群， 張曉敏. “CO還原氧化鐵實驗”改進裝置的優化[J]. 實驗教學與儀器， 2020， （7/8）： 49～50.