高爐煉鐵實驗的新設計

洪燕茹，鄭舒琳，魯翩翩，蔡開聰

摘要： 對教材中一氧化碳還原氧化鐵的實驗進行改進。利用定制的長柄U形管、氣袋以及MCH陶瓷加熱棒等儀器設計高爐煉鐵的新實驗裝置。改進后的實驗采用炭粉還原氧化鐵，避免了一氧化碳的制備及尾氣處理，使整個實驗操作簡便、高效、環保及安全。

關鍵詞： 一氧化碳； 還原氧化鐵； 高爐煉鐵； 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2023）02-0071-04? ??中圖分類號： G633.8? ??文獻標識碼： B

通過人教版九年級化學上冊的學習［1］，我們知道高爐煉鐵主要步驟是把鐵礦石跟焦炭、石灰石一起加入高爐中，再從下方通入熱空氣，焦炭燃燒后生成的二氧化碳在高溫下與焦炭反應生成一氧化碳氣體，隨后，一氧化碳跟氧化鐵在高溫下反應生成鐵（圖1）。

高爐煉鐵主要反應的化學方程式如下：

C+O2點燃CO2CO2+C高溫2CO3CO+Fe2O3高溫2Fe+3CO2

人教版教科書中主要通過以下實驗裝置來演示鐵冶煉的部分化學原理（圖2），通過實驗，幫助學生鞏固相關的化學基礎知識，引導學生關注化工生產中的化學反應。

但是，從課堂教學現狀看，大多數一線教師在講授該實驗時往往都采用觀看視頻或動畫模擬來代替演示實驗。究其原因，主要是該實驗設計存在以下幾個問題：（1）一氧化碳有毒且容易爆炸，制備過程中存在一定的安全隱患，對學校儲氣裝置要求較高；（2）該反應溫度在600℃以上［4］，采用酒精噴燈進行加熱操作時存在一定的危險性；（3）一氧化碳尾氣未必能完全被酒精燈點燃，排放至空氣中造成空氣污染，危害學生的身心健康；（4）缺乏防倒吸裝置，實驗操作不當時，石灰水產生倒吸導致玻璃直管裂開。

為此，本文對原教材中的實驗裝置作了創新設計，使實驗更貼近生產工藝，更能體現工業反應機理，同時避免環境污染，有利于培養學生的“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”的化學學科核心素養。

1? 設計意圖

在原教材實驗的基礎上進行創新設計，預期改進后的實驗裝置具有以下幾個優點：（1）反應高效。選擇更易獲得的反應物，并且增大熱源與反應物間的接觸面積，提高反應效率；（2）操作安全。采用無明火加熱，提高實驗的安全性；（3）防止污染。保持實驗過程中裝置的密閉性，防止一氧化碳逸出污染環境，危害健康；（4）一體化設計。將原料的反應和生成物的檢驗相結合，簡化實驗裝置的同時體現高爐煉鐵的工業生產原理。

2? 實驗原理

本實驗不僅能夠揭示高爐煉鐵的生產原理，而且能夠體現高效、安全、環保、一體化的實驗設計理念，所涉及的主要反應的化學方程式如下：

3C+2Fe2O3高溫4Fe+3CO2↑

CO2+C高溫2CO3CO+Fe2O3高溫2Fe+3CO2

與原實驗不同的是，改進后的實驗過程中先通入氮氣，排除裝置內的氧氣，使炭粉與氧化鐵在高溫下反應直接生成鐵與二氧化碳。隨后生成的二氧化碳與炭反應生成一氧化碳也參與氧化鐵的還原反應，促進二氧化碳的循環利用，同時提高了生成鐵的反應效率。

3? 實驗新設計

3.1? 解決一氧化碳的來源問題

在教材所示的實驗中（圖2），并未標明一氧化碳的來源，部分教師選擇用甲酸與濃硫酸來現場制取一氧化碳。但該方法需要對濃硫酸進行水浴加熱［5］，增加了實驗的準備時間，使實驗裝置復雜化，不易在課堂中搬運。

改進后的實驗采用炭與氧化鐵混合加熱，解決了原實驗中一氧化碳的制備與儲存問題。在實驗前，先通入氮氣排盡裝置內空氣，氮氣性質穩定，不易燃，不易爆，具有較高的安全性。待裝置內氧氣排盡后，扭緊旋塞，關閉氮氣進氣口處止水夾，使裝置保障密閉后打開加熱源，防止反應中產生的一氧化碳泄漏污染環境，同時省去了一氧化碳的尾氣處理裝置。

3.2? 采用MCH陶瓷加熱棒代替明火加熱

在原實驗中采用酒精噴燈進行加熱，且需要預熱一段時間，不僅增加了整個反應的時間，并且明火加熱的方式也使實驗操作過程中具有一定的危險性。

本文改用MCH陶瓷加熱棒來作為熱源［6］（圖3），該加熱棒接通24V學生直流電源后，能夠達到700℃，其體積小、價格低廉，能夠滿足一氧化碳還原氧化鐵600℃以上高溫的條件。實驗開始前，先將加熱棒的導線穿過橡膠塞與學生電源相連，在燒杯中加入少量0.5cm左右的玻璃纖維、0.3g炭粉和3g氧化鐵粉末，混合均勻后，用玻璃纖維氈將其包住并豎直塞入玻璃直管中，再把MCH陶瓷加熱棒插入玻璃纖維氈，調節加熱棒位置使其發熱區恰好在炭粉與氧化鐵粉末混合物中。實驗時打開電源即可加熱反應物，關閉電源加熱停止。改進后實驗采用MCH陶瓷加熱棒代替酒精噴燈加熱，保證實驗能夠更安全地進行。同時，用玻璃纖維氈和玻璃纖維棉改變炭和氧化鐵混合物的堆放方式（圖3），使反應物更充分地接觸加熱棒，整個反應也更加充分、高效。

3.3? 借助長柄U形管優化實驗

在原實驗中為了盡量保證裝置內空氣全部排盡往往會通入過量的一氧化碳，導致實驗時間延長、實驗藥品浪費以及污染環境。在進行一氧化碳的尾氣處理時，先排出的氣體為一氧化碳與空氣的混合物，采用酒精燈點燃時存在爆炸的風險，若等待一段時間后再點燃，又可能會導致部分一氧化碳排放至空氣中，對師生的身體健康造成危害。

原實驗中玻璃直管與澄清石灰水試管中間并未連接安全瓶，為了防止澄清石灰水倒吸，在移取酒精噴燈后仍需保持一氧化碳持續通入，增加了藥品的使用量。若實驗操作不慎造成倒吸，冷的石灰水倒吸入熱的玻璃直管中，兩者溫度差異較大將會使玻璃直管炸裂，增加了整個實驗的危險性。

本文借助長柄U形管，對實驗裝置作了改進（圖4）。改進后的實驗裝置在設計上優化了實驗反應原理，省去了一氧化碳尾氣處理裝置，簡化了整個實驗裝置。在長柄U形管右端增加一個旋塞，在反應開始之前打開旋塞，從左端玻璃管中通入過量氮氣，用燃著的火柴伸入U形管口內，若火柴熄滅，說明裝置內已充滿氮氣，隨后關閉旋塞，打開熱源進行加熱。待觀察到紅棕色的氧化鐵粉末變為黑色，再持續加熱2～3分鐘后，關閉熱源，待直管冷卻后打開旋塞，往U形管中加入少量澄清石灰水（圖4），再關閉旋塞，觀察實驗現象。研究表明［7］，氧化鐵是分步還原的，生成的黑色粉末可能含有鐵、氧化亞鐵、四氧化三鐵。取出生成物放于白紙上觀察，用磁鐵吸引出黑色粉末（可能含有鐵和四氧化三鐵），取少量該黑色粉末溶于0.1mol/L稀鹽酸中，產生少量氣泡，隨后加入硫氰化鉀溶液，溶液不變色，說明不含三價鐵離子。繼續加入幾滴過氧化氫溶液后，溶液變為血紅色，證明反應生成的黑色粉末中含有鐵，其溶于稀鹽酸生成二價鐵離子并被過氧化氫氧化成三價鐵離子，再與硫氰根反應生成血紅色溶液。

借助長柄U形管還能提高實驗的安全性。儀器中旋塞的設計能夠使整個反應過程在密閉的空間內進行，防止反應中產生的一氧化碳逸出污染環境，危害師生身體健康。該U形管管徑較粗，能有效地防止澄清石灰水倒吸，降低實驗的危險性。因此，改進后的實驗裝置在整體上更簡潔，安全性更高，方便教師在課堂上進行演示實驗。

4? 改進后的實驗裝置及實驗效果

改進后的實驗裝置示意圖（圖5）揭示了工業高爐煉鐵的原理，有效地達成了本實驗的目的，展現出高效、安全、防污、實驗一體化等優點。

按圖5裝置進行實驗的步驟、現象等見表1。

5? 結論

改進后的實驗操作簡單，可作為教師在課堂上的演示實驗，幫助學生更直觀地了解高爐煉鐵的工藝流程，加深學生對高爐煉鐵原理的理解，有助于在課堂上創設工業生產情境，激發學生學習興趣，同時使學生不再局限于教科書中的實驗設計，進一步培養學生的創新思維。

改進后的實驗主要有以下幾個優點：在實驗藥品選擇上，采用氮氣代替一氧化碳來排空裝置內空氣，降低實驗操作的危險性。采用炭粉與氧化鐵混合加熱，避免原實驗中一氧化碳的制備與儲存問題，同時省去了一氧化碳的尾氣處理裝置，防止一氧化碳可能泄漏造成的危害；在熱源選擇上，采用MCH陶瓷加熱棒代替酒精噴燈加熱，提高了實驗的安全性。用玻璃纖維氈改變反應物的堆放形式，增大與熱源的接觸面積，提高了反應的效率；在儀器設計上，借助長柄U形管中的旋塞能夠有效防止反應過程中產生的一氧化碳逸出污染環境。整個實驗裝置僅由一個氣袋、長柄U形管組成，裝置簡潔，方便教師在課堂上搬運。綜上所述，改進后的實驗更加高效、環保、安全，有助于在實驗中培養學生的探究精神與創新意識。

參考文獻：

［1］［2］［3］王晶， 鄭長龍主編. 義務教育課程標準實驗教科書·化學［M］. 北京： 人民教育出版社， 2012： 16.

［4］劉懷樂. 一氧化碳還原氧化鐵的實證探索與教學思考［J］. 化學教學， 2007，（11）： 13～16.

［5］裴銳， 張靈麗. 一氧化碳還原氧化鐵實驗的一體化設計［J］. 化學教學， 2019，（6）： 70～73.

［6］莊鑫. 密閉裝置中點燃紅磷的實驗改進［J］. 化學教與學， 2020，（2）： 83～84.

［7］魏海， 周良， 李德前. “一氧化碳還原氧化鐵”實驗裝置新設計［J］. 化學教學， 2017，（9）： 66～68.