CO還原氧化鐵實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

閆相友

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

關(guān)鍵詞： 一氧化碳還原氧化鐵; 裝置改進(jìn); 實(shí)驗(yàn)探究; 學(xué)生興趣小組

文章編號： 1005-6629（2022）05-0068-04

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，科學(xué)探究是學(xué)習(xí)化學(xué)的重要而有效的方式，科學(xué)探究始于問題，問題的解決可以提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)[1]。實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生的規(guī)范意識和小組合作能力。但目前許多教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中以課本設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)，利用準(zhǔn)備好的儀器和藥品讓學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)探究。這與其說是實(shí)驗(yàn)探究還不如說是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證更為合適，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和教師的設(shè)定很大程度上限制了學(xué)生的想象力。如何在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步挖掘其育人價值，有效落實(shí)“三思而后行”與“行后而三思”的實(shí)驗(yàn)理念，是每一位化學(xué)教師都應(yīng)認(rèn)真探討的問題。筆者認(rèn)為，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生多提幾個為什么，明確提出問題的模式：因?yàn)椤浴?，我認(rèn)為怎樣處理效果會更好，等等。從方案、藥品、裝置等角度進(jìn)行分析，在改進(jìn)中提升對實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知。

魯教版九年級化學(xué)第四單元第一節(jié)“常見的金屬材料”中設(shè)置了“金屬礦物及其冶煉”的知識模塊，讓學(xué)生了解常見的金屬礦產(chǎn)資源以及在自然界中的存在形式，知道礦產(chǎn)資源不可再生，從而形成保護(hù)和合理開采礦產(chǎn)資源的意識。教材中設(shè)計(jì)了探究“工業(yè)煉鐵的化學(xué)原理”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究了解工業(yè)冶煉金屬的一般原理和方法，理解氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的概念。不同版本的教材中均設(shè)計(jì)了類似的實(shí)驗(yàn)探究，鐵礦石通過一系列復(fù)雜的化學(xué)變化冶煉成鐵，充分體現(xiàn)了通過化學(xué)變化可以改造和創(chuàng)造物質(zhì)的化學(xué)基本觀念[2]。魯教版課本設(shè)置了簡單的關(guān)于煉鐵原理的實(shí)驗(yàn)探究，體現(xiàn)了化繁為簡的思想以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)化工生產(chǎn)的理念。

教材采用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置[3]，旨在模擬工業(yè)煉鐵的原理，但沒有給出整套的實(shí)驗(yàn)裝置。由于實(shí)驗(yàn)中用的一氧化碳?xì)怏w有毒、不純會發(fā)生爆炸，所以實(shí)驗(yàn)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(guān)知識和實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)進(jìn)行反復(fù)強(qiáng)調(diào)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于該實(shí)驗(yàn)操作繁瑣，危險(xiǎn)系數(shù)很高等諸多因素，許多教師均采用視頻方法代替演示實(shí)驗(yàn)，把“做”實(shí)驗(yàn)變成“看”實(shí)驗(yàn)，剝奪了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的直觀感知，將“多感官”聯(lián)動的實(shí)驗(yàn)教學(xué)縮減為一般的視覺認(rèn)知，大大降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性和應(yīng)有價值。

也有教師為了便于學(xué)生記憶實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中各步驟、各注意事項(xiàng)的原因：

實(shí)驗(yàn)前，先檢驗(yàn)一氧化碳?xì)怏w的純度。

實(shí)驗(yàn)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(fā)生爆炸（一氧化碳要“早出晚歸”，即先通氣，再點(diǎn)燈;先熄燈，再停氣）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，要先撤離酒精噴燈，繼續(xù)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(jìn)入，與高溫的鐵反應(yīng)（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(diǎn)燃未反應(yīng)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(yàn)及吸收二氧化碳?xì)怏w。

這樣的授課方式將實(shí)驗(yàn)探究變成了講實(shí)驗(yàn)、背實(shí)驗(yàn)，失去了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的魅力。為了最大程度地讓學(xué)生參與到探究中來，筆者在講授本節(jié)內(nèi)容前一周，采用“興趣小組實(shí)驗(yàn)探究法”，利用課外活動時間，將教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行逐一探尋。將知識清單發(fā)給各個興趣小組，開展組內(nèi)討論，將實(shí)驗(yàn)中的問題找出來，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)解密。在原理探知、裝置改進(jìn)的過程中加深學(xué)生對本實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知。通過此環(huán)節(jié)，授課時多了一些“小老師”，變老師講為學(xué)生分享，提高了學(xué)生的積極性和表達(dá)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(yīng)及尾氣處理裝置，沒有明確CO的來源，很多學(xué)校的條件也難以儲備一氧化碳。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中就產(chǎn)生了疑問： 一氧化碳是如何制取的？實(shí)驗(yàn)中所用的一氧化碳用什么儀器儲存？此裝置能否持續(xù)穩(wěn)定地給反應(yīng)提供一氧化碳？……

學(xué)生通過查閱資料，知道實(shí)驗(yàn)室制取一氧化碳的反應(yīng)藥品是甲酸和濃硫酸[4]。其反應(yīng)原理是：

HCOOH濃H2SO480—90℃CO↑+H2O

根據(jù)反應(yīng)物的狀態(tài)和反應(yīng)條件，可以選擇“液液加熱型”發(fā)生裝置。該反應(yīng)所需溫度不高，可選擇水浴加熱來代替酒精燈直接加熱，優(yōu)點(diǎn)是受熱面積大，比較穩(wěn)定安全。學(xué)生設(shè)計(jì)了如圖3所示的氣體發(fā)生和收集裝置。

所用儀器： 鐵架臺、分液漏斗、圓底燒瓶、溫度計(jì)、雙孔塞、導(dǎo)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(yàn)純度，待氣體純凈后，打開止水夾b，關(guān)閉止水夾a，收集氣體。

該實(shí)驗(yàn)中有以下幾個改進(jìn)點(diǎn)：

（1） 一氧化碳吹肥皂泡，檢驗(yàn)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(yàn)方法： 將氣體通入肥皂水中產(chǎn)生大量的肥皂泡，再用火柴點(diǎn)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(tǒng)的驗(yàn)純方法，使實(shí)驗(yàn)趣味性增強(qiáng)了，既節(jié)約了藥品，又提高了實(shí)驗(yàn)的可視性與安全系數(shù)。

（2） 一氧化碳的收集與排出。

一氧化碳的收集及實(shí)驗(yàn)中怎樣將一氧化碳排出，一直是學(xué)生熱烈討論的焦點(diǎn)問題。

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

有學(xué)生設(shè)計(jì)了如圖3所示的方法： 先收集一瓶一氧化碳?xì)怏w，實(shí)驗(yàn)時再從長管中慢慢注入水，將一氧化碳排入反應(yīng)裝置中。此方法的問題在于若是實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(xué)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?xì)怏w的速率。不過雖然方便了實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)中又多了一個固定裝置，還需有專人負(fù)責(zé)加水，反應(yīng)時間較長，顯然不太合適，還需作進(jìn)一步優(yōu)化。

有學(xué)生通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)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(cè)翻。使用時，因燒杯重力作用，會慢慢地將氣體排入反應(yīng)裝置中;又因?yàn)楦×Υ嬖?，燒杯不會下降太快，保證了氣體排出的速率。此裝置的改進(jìn)，克服了圖4裝置的不足，既便于攜帶，裝配簡單，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可視性，又始終處于液封狀態(tài)，保證了裝置的氣密性。

還有學(xué)生受此裝置的啟發(fā)，改用兩個礦泉水瓶（如圖6所示）收集一氧化碳?xì)怏w，改進(jìn)后的裝置更加容易裝配，且輕便易攜帶。將廢舊物品引入實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)綠色化的理念。

（3） 一氧化碳?xì)怏w的干燥。

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)玻璃管中有水霧，這是一氧化碳?xì)怏w沒有干燥的緣故。學(xué)生討論決定，在一氧化碳進(jìn)入反應(yīng)裝置前需作干燥處理，但需要什么干燥劑時，學(xué)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(yīng)，也不與氫氧化鈉反應(yīng)，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(chǎn)生速率，洗氣瓶能放置在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)前要先通入一氧化碳，排凈裝置中的空氣，防止加熱時發(fā)生爆炸，但是如何知道裝置中的空氣排干凈了呢？

部分學(xué)生采用類似氫氣驗(yàn)純的方法： 在裝置末尾連接一導(dǎo)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(jìn)行檢驗(yàn)，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(xué)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(yàn)，比較浪費(fèi)時間，若操作不當(dāng)，還會產(chǎn)生誤判，造成危險(xiǎn)。

有學(xué)生根據(jù)前面學(xué)習(xí)測定空氣成分的實(shí)驗(yàn)，提出可以用“水量法”測出實(shí)驗(yàn)裝置中硬質(zhì)玻璃管的容積，然后粗略估算導(dǎo)氣管的容積。用“水量法”找出集氣瓶相應(yīng)容積的位置，套上一個彩色橡皮筋作為標(biāo)記（如圖8所示）[5]。實(shí)驗(yàn)開始時，打開彈簧夾，一氧化碳緩緩地進(jìn)入反應(yīng)裝置，集氣瓶中的水位逐漸下降，當(dāng)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(diǎn)燃酒精噴燈進(jìn)行加熱。

部分學(xué)生為了對產(chǎn)生的氣體進(jìn)行檢驗(yàn)，將集氣瓶中的水換成了澄清石灰水，實(shí)驗(yàn)中可以明顯地看到石灰水變渾濁。因?yàn)闅溲趸}微溶于水，吸收二氧化碳的能力較弱，學(xué)生為了將混合氣體除雜并回收一氧化碳?xì)怏w，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(xiàn)象，又進(jìn)行了尾氣處理。

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

裝置改進(jìn)后既可以直觀地顯示裝置中的空氣是否排凈，又可以檢驗(yàn)并吸收產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w，還能收集未反應(yīng)的一氧化碳?xì)怏w，實(shí)現(xiàn)尾氣處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，還可以將這部分氣體導(dǎo)入儲氣裝置中實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，從而節(jié)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(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)結(jié)束后應(yīng)繼續(xù)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(xué)生提出了疑問： 裝置拆開了，會有氧氣進(jìn)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(xù)通入一氧化碳，作用不應(yīng)該僅僅是防止鐵被氧化？可以設(shè)想，若裝置未拆開，熄滅了酒精噴燈，反應(yīng)裝置的溫度降低，壓強(qiáng)會減小，澄清石灰水會倒吸到硬質(zhì)玻璃管中，所以繼續(xù)通入一氧化碳應(yīng)該還起到防止水倒吸的作用！

學(xué)生經(jīng)過討論和分析，又對裝置進(jìn)行了改進(jìn)（見圖9）： 一部分學(xué)生在反應(yīng)裝置的兩端，分別加上一個活塞;還有一些學(xué)生在反應(yīng)裝置兩端分別連接一小段橡膠管，夾上彈簧夾。反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)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(jīng)過檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鐵粉沒有被氧化，還有效防止了水倒吸。這樣的改進(jìn)既節(jié)約藥品、節(jié)省能源，又增加了實(shí)驗(yàn)的安全性和可靠性。

4 結(jié)束語

每一個化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，總會有一些潛在的問題。教學(xué)中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中隨時發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，進(jìn)而解決問題。一氧化碳還原氧化鐵實(shí)驗(yàn)中學(xué)生所提出的幾個問題的探究和解決，培養(yǎng)了學(xué)生大膽質(zhì)疑的科學(xué)精神;對實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力;通過挖掘?qū)嶒?yàn)教學(xué)的育人價值，提升了學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置安全、方便、可視性強(qiáng)，綠色環(huán)保理念滲透其中，有效降低了課前準(zhǔn)備的負(fù)擔(dān)，解決了該實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的難題，并成功地將一般的演示實(shí)驗(yàn)推廣為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真正落實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1][2]盧巍. 魯教版化學(xué)九年級教師教學(xué)用書[M]. 濟(jì)南： 山東教育出版社， 2019： 145～150.

[3]畢華林， 盧巍. 義務(wù)教育教科書·化學(xué)（八年級全一冊）[M]. 濟(jì)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(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2020， （3）： 72～75.

[5]馬逸群， 張曉敏. “CO還原氧化鐵實(shí)驗(yàn)”改進(jìn)裝置的優(yōu)化[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2020， （7/8）： 49～50.