吳曉穎　王振　張明月

摘要： 針對教材中一氧化碳還原氧化鐵實驗的不足之處，利用W形管設(shè)計新的實驗裝置，提高了實驗的成功率、安全性和可操作性。新裝置不僅具有試劑耗量少、環(huán)保、一體化等優(yōu)點，而且還可檢驗、收集尾氣，以及改進了產(chǎn)物鐵的檢驗方法。此外，W形管還可應用于初中其他系列經(jīng)典實驗的改進。

關(guān)鍵詞： W形管; 一氧化碳還原氧化鐵; 實驗裝置一體化設(shè)計; 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2020）03-0072-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

一氧化碳還原氧化鐵的實驗在九年級化學教學中具有重要地位。高溫還原法得到游離態(tài)金屬單質(zhì)是學生學習金屬冶煉的第一種方法。通過學習，引導學生關(guān)注化工生產(chǎn)中的化學反應，意識到化學原理對生產(chǎn)實際的指導作用。該實驗是有毒氣體CO與固體在高溫條件下的反應，對裝置的密閉性要求甚高，且是集合了主反應的發(fā)生、氣體產(chǎn)物檢驗、尾氣處理于一體的完整的實驗裝置，是對學生以往所學化學知識的一次檢驗，也是對學生視野進行的一次必不可少的拓展，為系統(tǒng)學習金屬冶煉知識做鋪墊。

重視該實驗并確保實驗成功，是充分發(fā)揮其教學功能與價值的重要前提。但就教學現(xiàn)狀而言，對于這一實驗，多數(shù)一線教師在教學過程中仍采用觀看視頻或口述實驗等方法代替演示實驗，細究原因，主要有以下幾方面。

1? 教材實驗的不足之處

1.1? CO的制備與儲存

教材所示裝置圖中（見圖1），未明確指出實驗所用CO的來源。在實際教學中，部分教師采用儲存有CO的安全氣囊或儲氣罐，但對于我國廣大的農(nóng)村中學來說，難以購買符合條件的儲氣設(shè)備，因此安全氣囊或儲氣罐的使用不具有普遍性。

圖1? 人教版教材一氧化碳還原氧化鐵實驗裝置圖

1.2? 排盡空氣所需時間

點燃酒精噴燈之前，需先排盡裝置內(nèi)的空氣，但CO無色無味，因此難以確定裝置內(nèi)空氣何時排盡。出于安全考慮，經(jīng)常要多通一段時間的CO，這樣既增加藥品用量，也會浪費寶貴的課堂時間。

1.3? 尾氣處理

點燃法處理尾氣，有兩個弊端： 一是起始排出的CO中混有空氣，若貿(mào)然點燃，可能會發(fā)生爆炸;二是主反應開始以后，尾氣主要是CO和CO2，由于CO2不助燃且所占體積分數(shù)較大，因此CO未必能完全燃燒，直接排放會造成空氣污染。

1.4? 熱源

一氧化碳還原氧化鐵實驗需要600℃以上的高溫條件，因此教材實驗使用酒精噴燈。但酒精噴燈的使用步驟較為繁瑣，且使用時聲響較大，易對學生造成心理壓力，產(chǎn)生不必要的恐懼感。

1.5? 產(chǎn)物的檢驗

該反應的生成物分別是CO2和鐵。用澄清石灰水檢驗CO2，方法簡單，現(xiàn)象明顯。但關(guān)于鐵的檢驗，多數(shù)教師在得到產(chǎn)物后，只在硬質(zhì)玻璃管外用一磁鐵吸引黑色粉末，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)物會隨磁鐵左右移動，便認為有鐵生成，缺乏對黑色產(chǎn)物的進一步檢驗（此反應的中間產(chǎn)物Fe3O4也具有磁性，能被磁鐵吸引）。若要將黑色粉末取出與酸反應，借由生成H2證明有鐵粉生成，則必須等裝置冷卻，會消耗較多的時間，若未等充分冷卻便取出，則鐵很容易在空氣中被氧化。

1.6? 缺乏防倒吸裝置

主反應裝置與CO2檢驗裝置直接相連，二者溫度相差較大，如若操作不慎，便會引發(fā)倒吸。

2? 實驗改進

2.1? 實驗儀器與藥品

如圖2所示，實驗所需儀器為： 鐵架臺1個、塑料滴管1支、W形管（內(nèi)徑15mm，總長度約為35cm）1根、酒精燈1個、自制防風罩1個、試管1支、集氣瓶（500mL）1個、燒杯（500mL）1個、燒杯（250mL）1個、單孔橡膠塞2個、雙孔橡膠塞2個、導管若干、膠皮管若干、膠頭滴管1支、藥匙1支

所需實驗藥品為： 甲酸、98%濃硫酸、氧化鐵粉末、澄清石灰水、80℃熱水

W形管裝置圖

圖2? W形管與改進后一氧化碳還原氧化鐵實驗裝置示意圖

2.2? 部分實驗儀器改裝

（1） 酒精燈火焰的防風罩： 用廢棄石棉網(wǎng)繞制而成。

（2） 利用“水量法”，事先測算出裝置的容積約為130mL，并在集氣瓶外側(cè)表面標出上部容積130mL所在位置。當瓶內(nèi)液面下降到標記處時，說明裝置內(nèi)空氣已基本排盡。

（3） W形管： 注意中部凸起部分要比兩端高一些，防止因左邊產(chǎn)生的氣體過多，導致液體溢出到右邊。

2.3? 實驗操作步驟

（1） 檢查裝置氣密性。如圖2所示，連接儀器，裝入4mL濃硫酸、氧化鐵粉末、澄清石灰水后，擠壓塑料滴管，若觀察到集氣瓶內(nèi)的兩根導管出現(xiàn)穩(wěn)定的液面差（左低右高），則裝置氣密性良好。

（2） 水浴加熱。對W形管前端的濃硫酸進行80℃水浴加熱。

（3） 取下塑料滴管，吸取3mL甲酸后連接于裝置中。輕輕擠壓滴管，將甲酸逐滴滴加到濃硫酸中。

（4） 當集氣瓶內(nèi)液面下降到標記位置時，點燃酒精燈，先預熱，后固定位置加熱。

（5） 當紅棕色粉末全部變黑且澄清石灰水變渾濁時，繼續(xù)加熱2～3分鐘，而后熄滅酒精燈。

（6） 用磁鐵吸引管內(nèi)黑色粉末，并將黑色粉末轉(zhuǎn)移到W形管另一個凹槽中與剩余酸液反應，多余尾氣用集氣瓶收集。

（7） 后續(xù)處理： 實驗結(jié)束后，取下集氣瓶，拿到安全之處，拔掉雙孔塞，立即點燃尾氣。拆開其余實驗裝置，清洗并整理實驗用品。

2.4? 注意事項

（1） 因甲酸與濃硫酸具有強腐蝕性，吸取甲酸、濃硫酸時要戴橡膠手套，防止酸液與皮膚接觸。

（2） 集氣瓶的規(guī)格盡量選大一些，筆者實驗使用容積為500mL的集氣瓶，保證尾氣能被完全收集。

（3） 剛開始滴入甲酸時，速度稍慢些，防止反應速率過快。

（4） 當紅棕色粉末全部變黑時，不能立刻停止加熱，應再加熱一段時間，而后熄滅酒精燈，防止中間產(chǎn)物Fe3O4干擾實驗（后文詳細敘述）。

3? 實驗創(chuàng)新之處及優(yōu)點

3.1? 無需提前儲存CO

利用甲酸與濃硫酸反應制備CO： HCOOH濃硫酸60～80℃CO↑+H2O

該反應容易進行，操作簡便，可以做到隨時制備CO，安全性高。甲酸易揮發(fā)，密度為1.220g/cm3，濃硫酸難揮發(fā)，密度為1.84g/cm3，為避免甲酸在反應前揮發(fā)，故選擇將濃硫酸水浴加熱，見圖2（A）。雖然甲酸的密度比濃硫酸小，將甲酸注入濃硫酸時難以避免產(chǎn)生液體飛濺，但是由于液體量少，飛濺程度可以忽略。

3.2? 熱源的選擇與改進

劉懷樂在“一氧化碳還原氧化鐵的實證探索與教學思考”一文[1]中指出，一氧化碳還原氧化鐵的反應是分步進行的：

3Fe2O3+CO400～500℃2Fe3O4+CO2;

Fe3O4+CO500～600℃3FeO+CO2;

FeO+CO600℃以上Fe+CO2。

朱洪法[2]的《實用化工詞典》則提出，當溫度高于710℃， Fe能穩(wěn)定存在;680～710℃之間，F(xiàn)eO能穩(wěn)定存在;低于680℃，則主要是Fe3O4。故要得到產(chǎn)物鐵，溫度必須控制在710℃以上。實驗所用W形管系石英玻璃制成，可耐高溫1200℃，滿足實驗要求。酒精燈加熱溫度可達800℃[3]左右，但由于火焰會隨風擺動，難以快速升溫并維持高溫，故筆者選擇在火焰外圍加裝防風罩，見圖2（B）。為了確保有鐵生成，建議在紅棕色粉末完全變黑以后，持續(xù)加熱2～3分鐘。

3.3? 產(chǎn)物Fe的檢驗更為科學合理

熄滅酒精燈后，可立即用磁鐵將產(chǎn)生的黑色粉末吸引并轉(zhuǎn)移到W形管前面的凹槽中，與剩余酸液反應，見圖3。當觀察到氣泡的生成速率加快，可證明有Fe生成。該操作巧妙之處在于，不必等裝置完全冷卻后才取出固體與酸反應，節(jié)約了時間。

圖3? 一氧化碳還原氧化鐵產(chǎn)物檢驗操作示意圖

3.4? 加入防倒吸裝置，提升實驗安全系數(shù)

教材中的主反應裝置與CO2檢驗裝置直接相連，存在液體倒吸使玻璃管因驟冷而破裂的風險[4]。筆者在二者之間加入防倒吸裝置，見圖2（C），可以解決這一問題。

3.5? 集氣瓶的作用

集氣瓶的連接方式見圖2（D）。

作用1： 根據(jù)液面下降情況，可以確定裝置內(nèi)空氣是否排盡，準確估算開始加熱的時間。雖然氣體運動情況復雜，但經(jīng)過筆者多次實驗證明，當液面下降至標記處時再點燃酒精燈，不會發(fā)生爆炸。

作用2： 根據(jù)加熱W形管前后澄清石灰水的變化，可以檢驗CO2，由于石灰水過量，因此也可以用于吸收剩余CO2。

作用3： 密閉體系，將反應過程中生成的所有氣體全部收集起來，防止CO逸散污染環(huán)境。

作用4： 處理尾氣，方便安全。實驗結(jié)束后，將集氣瓶拿到安全之處，打開瓶塞，立即點燃尾氣。查閱資料[5]可知： 空氣中CO的體積分數(shù)達到12.5%～74.2%，H2的體積分數(shù)達到4%～75%，點燃時可能會發(fā)生爆炸。由于集氣瓶口較大，氣浪能順利沖出瓶口，因此不會有危險。

4? 結(jié)束語

本實驗裝置連接簡單，可操作性強，不僅減少課前準備的負擔，更主要的是提升了實驗的安全性和成功率，能

有效落實

該實驗于課堂教學中。此外，W形管還可應用于其他化學實驗的改進中，見表1。

表1? 利用W形管改進化學實驗一覽表

編號實驗ABC其他說明現(xiàn)象

1H2的制取與檢驗稀硫酸鋅粒洗滌液末端明火點燃發(fā)出輕微的爆鳴聲

2CO2的制取與性質(zhì)實驗稀鹽酸石灰石澄清石灰水后接所需儀器藥品澄清石灰水變渾濁

3CO還原CuO? 甲酸濃硫酸氧化銅粉末后接所需儀器藥品黑色粉末變?yōu)榧t色

4探究燃燒條件改為橡膠塞紅磷白磷80℃水浴加熱白磷燃燒，紅磷不燃燒

5分子運動實驗濃氨水/酚酞擠壓A酚酞變紅

參考文獻：

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

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

[3]孫黎穎， 王程杰. 酒精燈火焰的溫度及實驗室加熱源[J]. 化學教學， 2017， （11）： 51～53.

[4]馬逸群. 安全便捷的一氧化碳還原氧化鐵實驗[J]. 教學儀器與實驗， 2012， （3）： 16～17.

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