模擬煉鐵實驗的改進設計

王斌　陸庭鑾

摘要： 教材中模擬煉鐵實驗存在有毒氣體泄漏、一氧化碳不純引起爆炸等風險，不利于課堂上演示。基于工程思維模擬工業煉鐵的原理，將木炭與二氧化碳高溫反應與一氧化碳高溫還原氧化鐵的實驗作一體化創新設計，同時改進加熱方式并融合注射器的功能，再用對比實驗的方法檢驗產物的成分，體現了簡約、安全、環保、工程性、思維性、一體化的實驗創新設計理念。

關鍵詞： 模擬煉鐵； 一體化創新設計； 實驗改進

文章編號： 10056629（2023）10006403 中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

滬教版九年級《化學》第五章第2節“金屬礦物鐵的冶煉”中，通過圖1裝置演示一氧化碳與氧化鐵的反應來研究冶煉鐵的原理［1］。該實驗是初中階段課堂教學環節中相對較難的實驗，其主要難點在于：（1）一氧化碳的制取，通常采取的方法是利用草酸和濃硫酸反應制取一氧化碳，制備過程中存在一定的安全隱患［2］；（2）一氧化碳毒性較強且具有可燃性，實驗過程中有發生爆炸及泄漏污染空氣的可能；（3）酒精噴燈的使用存在火焰大小難以調節以及將點燃的酒精噴燈作移動操作有一定的危險性；（4）實驗過程中等待硬質玻璃管冷卻至室溫所需時間較長，在此期間仍需持續通入一氧化碳，實驗藥品的消耗量太大。針對以上幾個問題，筆者對該實驗的裝置及操作方法等做了探究改進。

1 改進實驗裝置所用儀器及藥品

改進裝置如圖2所示。

儀器：鐵架臺、硬質玻璃管、注射器、藥匙、鑷子、橡皮塞、乳膠管、三通管、止水夾、燒杯、玻璃纖維布、石棉網、點滴板、便攜式火焰噴槍、條形磁鐵

藥品：木炭、氧化鐵、二氧化碳、澄清石灰水、硫酸銅溶液

2 實驗原理

本實驗設計在展示一氧化碳與氧化鐵反應（主反應）的同時還揭示了工業煉鐵中一氧化碳的來源及原理，體現了簡約、安全、環保、工程性、思維性、一體化的實驗創新設計理念。所涉及的反應原理如下：

與教材原實驗比較，實驗改為先通入二氧化碳，排盡裝置內的空氣；用木炭和二氧化碳在高溫條件下反應生成一氧化碳；一氧化碳與氧化鐵在高溫下反應生成鐵和二氧化碳。二氧化碳在裝置中得以循環利用。

3 實驗操作步驟要點及實驗現象

（1） 如圖2連接裝置，將一側注射器拉至40mL處，夾緊兩側的止水夾，推拉注射器活塞，檢查裝置的氣密性。

（2） 打開兩側止水夾，注射器推至底部，右側乳膠管連接導管，插入盛有澄清石灰水的燒杯中。然后裝入藥品。

① 取少許氧化鐵粉末平鋪于硬質玻璃管中，用條形磁鐵在其下方移動，觀察現象；

② 取玻璃纖維布（約3cm長）置于硬質玻璃管中；

③ 用鑷子夾取木炭，用火焰噴槍對木炭作預加熱處理，木炭點燃后放置于硬質玻璃管中的玻璃纖維布上，與氧化鐵粉末間距1cm左右；

④ 用注射器從左側向裝置中緩慢推入二氧化碳至觀察到燒杯中石灰水變渾濁。

（3） 夾緊兩側的乳膠管，移去左側注射器和右側的石灰水。

（4） 使用噴火槍對硬質玻璃管預熱后，對木炭和氧化鐵部位同時加強熱，觀察現象及固體顏色變化，適度輕微推拉注射器，使裝置內氣流流動。

（5） 待反應完全后，熄滅噴火槍，再次用條形磁鐵在硬質玻璃管下方移動，觀察現象。

（6） 推拉兩側的注射器，使氣流流動加快裝置的冷卻。待裝置冷卻至室溫后，用抽拉注射器的方法抽取裝置中的氣體進行尾氣的處理。

（7） 取少量反應后能被磁鐵吸引的固體少許放入井穴板中，滴加硫酸銅溶液，攪拌，觀察現象。

4 實驗改進小結

4.1 一體化設計

教材原裝置圖中沒有說明一氧化碳的來源，一般情況下是采用濃硫酸和甲酸反應制取一氧化碳，實驗過程需加熱；產生的一氧化碳與氧化鐵反應的裝置與尾氣的處理裝置相連接，使裝置相對復雜，操作流程也相互摻雜，不利于課堂演示，影響了學生對核心知識的掌握。

本改進設計將木炭與二氧化碳高溫反應與一氧化碳高溫還原氧化鐵兩步反應巧妙結合，一體化考慮，既解決了一氧化碳的來源問題，又充分利用了氣體的循環作用，幫助學生清晰地認識物質及其變化的規律和本質。

4.2 操作高效簡潔

4.2.1 高效加熱方式

教材原裝置圖采用酒精噴燈作為熱源，酒精噴燈使用時火焰強弱的調節較難操作，需反復訓練才能精準把控，且實驗預熱時還需左右移動酒精噴燈。

改進后的實驗利用日常生活用品火焰噴槍提供高溫條件，火焰噴槍的火焰溫度能達1000℃以上，可滿足木炭與二氧化碳及一氧化碳與氧化鐵反應所需的高溫條件；火焰噴槍采用電子打火，旋鈕調節的方式和火焰大小的控制簡單、便捷；火焰噴槍的火焰可處于水平或豎直方向，任意調控，火焰寬度能同時對放有木炭和氧化鐵的部位加熱，使反應過程更加協調、高效。

4.2.2 高效的一氧化碳獲取和尾氣處理方式

改進后的實驗采取木炭與二氧化碳在高溫條件下反應生成一氧化碳，簡化了一氧化碳的來源；實驗中先通入二氧化碳，排盡裝置中的空氣，二氧化碳具有不支持燃燒的性質，實驗安全性好。通好二氧化碳后就夾緊兩側的止水夾，裝置即處于密封狀態，既防止反應過程中生成的一氧化碳泄漏，也便于用抽氣法處理尾氣，更重要的是整個過程模擬了工業煉鐵的基本原理［3］。

4.2.3 簡潔的實驗現象辨析

實驗設計利用兩注射器簡潔地進行了氣密性檢查；利用澄清石灰水變混濁證明了硬質玻璃管中空氣已排盡；利用兩注射器的調節作用，使一氧化碳與氧化鐵充分反應，在短時間內還原生成了鐵，現象明顯，有助于學生認識工業模擬煉鐵的主要原理［4］，初步形成學習物質及其變化的基本思路，以及在一定條件下通過化學反應實現物質轉化的化學觀念。

4.3 安全性高

利用二氧化碳排盡試管中的空氣，避免了在密封的試管中一氧化碳可能發生爆炸的危險，確保實驗的安全性；熾熱的木炭放在玻璃纖維布上，有效防止了試管炸裂的危險；實驗時還通過推動注射器調節氣壓，確保了安全。

4.4 防止污染

整個實驗設計在密封的裝置中進行，防止一氧化碳的泄漏對環境造成污染；少量的實驗尾氣一氧化碳最終收集在兩個注射器中，最終被點燃以清除隱患。

4.5 注射器的多種作用

注射器的作用體現在以下幾點：（1）檢查裝置氣密性時，根據觀察注射器上活塞的位置可直觀感知氣密性是否良好；（2）加熱時，注射器活塞移動可緩沖內部氣壓，防止橡皮塞彈出；（3）推拉注射器可使裝置內氣流發生定向移動，使二氧化碳與木炭、一氧化碳與氧化鐵充分接觸，從而促使反應完全；（4）預熱后對木炭進行加熱，觀察注射器活塞的移動情況，再結合反應原理，可幫助學生從定量的視角理解化學反應，發展對化學變化的定量認識和推理能力，突破學習的難點；（5）注射器左右推拉促使氣體流動，加快裝置冷卻，提升了課堂的時效；（6）注射器從兩側吸氣進行尾氣的處理，方便簡潔。

5 引導學生深度學習

教材原實驗沒有對產物的檢驗方法做具體的介紹，一般教學中通常可用兩種方法來驗證有鐵生成：（1）取反應后所得黑色固體于試管中滴加稀鹽酸（或稀硫酸），觀察是否有氣泡產生；（2）取反應后所得黑色固體于試管中滴加硫酸銅溶液，觀察是否有紅色固體產生。但實驗中由于生成的鐵粉顆粒較小，加入酸溶液或硫酸銅溶液時粉末不會快速沉降，干擾實驗現象的觀察。本實驗改進為向點滴板中滴加兩份硫酸銅溶液，向其中一份加入所得的黑色固體，經攪拌、靜置，觀察溶液顏色的變化。利用白色點滴板作對比實驗展示溶液顏色的變化，實驗現象明顯，更有利于學生的觀察。

本設計通過實驗與觀察，對比分析反應前后固體的顏色、條形磁鐵的吸引情況、注射器內氣體體積的變化，強化證據推理、模型解釋、反思與創新等思維能力，引導學生從宏微符結合、定性和定量結合、現象與本質等多角度認識化學反應，突破學習的難點，引導深度學習，發展核心素養［5］。

參考文獻：

［1］中學化學國家課程標準研制組. 義務教育教科書·化學（九年級上冊）［M］. 上海： 上海教育出版社， 2017： 124～125.

［2］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

［3］洪燕茹， 鄭舒琳， 魯翩翩， 蔡開聰. 高爐煉鐵實驗的新設計［J］. 化學教學， 2023，（2）： 71～73.

［4］韓萬中， 錢明安， 趙英新. CO結構、性質及反應原理的思考和教學［J］. 化學教學， 2019，（9）： 94～95.

［5］劉慶華， 何彩霞， 王嫵艷. 基于化學學科理解的教學實踐——以初中化學“金屬資源的利用和保護”為例［J］. 化學教學， 2022，（9）： 40～42.