王斌　陸庭鑾

摘要： 教材中模擬煉鐵實(shí)驗(yàn)存在有毒氣體泄漏、一氧化碳不純引起爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，不利于課堂上演示。基于工程思維模擬工業(yè)煉鐵的原理，將木炭與二氧化碳高溫反應(yīng)與一氧化碳高溫還原氧化鐵的實(shí)驗(yàn)作一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，同時(shí)改進(jìn)加熱方式并融合注射器的功能，再用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法檢驗(yàn)產(chǎn)物的成分，體現(xiàn)了簡(jiǎn)約、安全、環(huán)保、工程性、思維性、一體化的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念。

關(guān)鍵詞： 模擬煉鐵； 一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 10056629（2023）10006403 中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

滬教版九年級(jí)《化學(xué)》第五章第2節(jié)“金屬礦物鐵的冶煉”中，通過(guò)圖1裝置演示一氧化碳與氧化鐵的反應(yīng)來(lái)研究冶煉鐵的原理［1］。該實(shí)驗(yàn)是初中階段課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中相對(duì)較難的實(shí)驗(yàn)，其主要難點(diǎn)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(yīng)制取一氧化碳，制備過(guò)程中存在一定的安全隱患［2］；（2）一氧化碳毒性較強(qiáng)且具有可燃性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有發(fā)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(diào)節(jié)以及將點(diǎn)燃的酒精噴燈作移動(dòng)操作有一定的危險(xiǎn)性；（4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中等待硬質(zhì)玻璃管冷卻至室溫所需時(shí)間較長(zhǎng)，在此期間仍需持續(xù)通入一氧化碳，實(shí)驗(yàn)藥品的消耗量太大。針對(duì)以上幾個(gè)問(wèn)題，筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)的裝置及操作方法等做了探究改進(jìn)。

1 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置所用儀器及藥品

改進(jìn)裝置如圖2所示。

儀器：鐵架臺(tái)、硬質(zhì)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(wǎng)、點(diǎn)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(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在展示一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)（主反應(yīng)）的同時(shí)還揭示了工業(yè)煉鐵中一氧化碳的來(lái)源及原理，體現(xiàn)了簡(jiǎn)約、安全、環(huán)保、工程性、思維性、一體化的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念。所涉及的反應(yīng)原理如下：

與教材原實(shí)驗(yàn)比較，實(shí)驗(yàn)改為先通入二氧化碳，排盡裝置內(nèi)的空氣；用木炭和二氧化碳在高溫條件下反應(yīng)生成一氧化碳；一氧化碳與氧化鐵在高溫下反應(yīng)生成鐵和二氧化碳。二氧化碳在裝置中得以循環(huán)利用。

3 實(shí)驗(yàn)操作步驟要點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

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

（2） 打開(kāi)兩側(cè)止水夾，注射器推至底部，右側(cè)乳膠管連接導(dǎo)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(zhì)玻璃管中，用條形磁鐵在其下方移動(dòng)，觀察現(xiàn)象；

② 取玻璃纖維布（約3cm長(zhǎng)）置于硬質(zhì)玻璃管中；

③ 用鑷子夾取木炭，用火焰噴槍對(duì)木炭作預(yù)加熱處理，木炭點(diǎn)燃后放置于硬質(zhì)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(cè)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(cè)的乳膠管，移去左側(cè)注射器和右側(cè)的石灰水。

（4） 使用噴火槍對(duì)硬質(zhì)玻璃管預(yù)熱后，對(duì)木炭和氧化鐵部位同時(shí)加強(qiáng)熱，觀察現(xiàn)象及固體顏色變化，適度輕微推拉注射器，使裝置內(nèi)氣流流動(dòng)。

（5） 待反應(yīng)完全后，熄滅噴火槍，再次用條形磁鐵在硬質(zhì)玻璃管下方移動(dòng)，觀察現(xiàn)象。

（6） 推拉兩側(cè)的注射器，使氣流流動(dòng)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(jìn)行尾氣的處理。

（7） 取少量反應(yīng)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(xiàn)象。

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)小結(jié)

4.1 一體化設(shè)計(jì)

教材原裝置圖中沒(méi)有說(shuō)明一氧化碳的來(lái)源，一般情況下是采用濃硫酸和甲酸反應(yīng)制取一氧化碳，實(shí)驗(yàn)過(guò)程需加熱；產(chǎn)生的一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)的裝置與尾氣的處理裝置相連接，使裝置相對(duì)復(fù)雜，操作流程也相互摻雜，不利于課堂演示，影響了學(xué)生對(duì)核心知識(shí)的掌握。

本改進(jìn)設(shè)計(jì)將木炭與二氧化碳高溫反應(yīng)與一氧化碳高溫還原氧化鐵兩步反應(yīng)巧妙結(jié)合，一體化考慮，既解決了一氧化碳的來(lái)源問(wèn)題，又充分利用了氣體的循環(huán)作用，幫助學(xué)生清晰地認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的規(guī)律和本質(zhì)。

4.2 操作高效簡(jiǎn)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(shí)火焰強(qiáng)弱的調(diào)節(jié)較難操作，需反復(fù)訓(xùn)練才能精準(zhǔn)把控，且實(shí)驗(yàn)預(yù)熱時(shí)還需左右移動(dòng)酒精噴燈。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)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(dá)1000℃以上，可滿足木炭與二氧化碳及一氧化碳與氧化鐵反應(yīng)所需的高溫條件；火焰噴槍采用電子打火，旋鈕調(diào)節(jié)的方式和火焰大小的控制簡(jiǎn)單、便捷；火焰噴槍的火焰可處于水平或豎直方向，任意調(diào)控，火焰寬度能同時(shí)對(duì)放有木炭和氧化鐵的部位加熱，使反應(yīng)過(guò)程更加協(xié)調(diào)、高效。

4.2.2 高效的一氧化碳獲取和尾氣處理方式

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)采取木炭與二氧化碳在高溫條件下反應(yīng)生成一氧化碳，簡(jiǎn)化了一氧化碳的來(lái)源；實(shí)驗(yàn)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(zhì)，實(shí)驗(yàn)安全性好。通好二氧化碳后就夾緊兩側(cè)的止水夾，裝置即處于密封狀態(tài)，既防止反應(yīng)過(guò)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(gè)過(guò)程模擬了工業(yè)煉鐵的基本原理［3］。

4.2.3 簡(jiǎn)潔的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象辨析

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)利用兩注射器簡(jiǎn)潔地進(jìn)行了氣密性檢查；利用澄清石灰水變混濁證明了硬質(zhì)玻璃管中空氣已排盡；利用兩注射器的調(diào)節(jié)作用，使一氧化碳與氧化鐵充分反應(yīng)，在短時(shí)間內(nèi)還原生成了鐵，現(xiàn)象明顯，有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)工業(yè)模擬煉鐵的主要原理［4］，初步形成學(xué)習(xí)物質(zhì)及其變化的基本思路，以及在一定條件下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的化學(xué)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(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，確保實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)；實(shí)驗(yàn)時(shí)還通過(guò)推動(dòng)注射器調(diào)節(jié)氣壓，確保了安全。

4.4 防止污染

整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在密封的裝置中進(jìn)行，防止一氧化碳的泄漏對(duì)環(huán)境造成污染；少量的實(shí)驗(yàn)尾氣一氧化碳最終收集在兩個(gè)注射器中，最終被點(diǎn)燃以清除隱患。

4.5 注射器的多種作用

注射器的作用體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）檢查裝置氣密性時(shí)，根據(jù)觀察注射器上活塞的位置可直觀感知?dú)饷苄允欠窳己?；?）加熱時(shí)，注射器活塞移動(dòng)可緩沖內(nèi)部氣壓，防止橡皮塞彈出；（3）推拉注射器可使裝置內(nèi)氣流發(fā)生定向移動(dòng)，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(yīng)完全；（4）預(yù)熱后對(duì)木炭進(jìn)行加熱，觀察注射器活塞的移動(dòng)情況，再結(jié)合反應(yīng)原理，可幫助學(xué)生從定量的視角理解化學(xué)反應(yīng)，發(fā)展對(duì)化學(xué)變化的定量認(rèn)識(shí)和推理能力，突破學(xué)習(xí)的難點(diǎn)；（5）注射器左右推拉促使氣體流動(dòng)，加快裝置冷卻，提升了課堂的時(shí)效；（6）注射器從兩側(cè)吸氣進(jìn)行尾氣的處理，方便簡(jiǎn)潔。

5 引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

教材原實(shí)驗(yàn)沒(méi)有對(duì)產(chǎn)物的檢驗(yàn)方法做具體的介紹，一般教學(xué)中通?？捎脙煞N方法來(lái)驗(yàn)證有鐵生成：（1）取反應(yīng)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(chǎn)生；（2）取反應(yīng)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(chǎn)生。但實(shí)驗(yàn)中由于生成的鐵粉顆粒較小，加入酸溶液或硫酸銅溶液時(shí)粉末不會(huì)快速沉降，干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為向點(diǎn)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(jīng)攪拌、靜置，觀察溶液顏色的變化。利用白色點(diǎn)滴板作對(duì)比實(shí)驗(yàn)展示溶液顏色的變化，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，更有利于學(xué)生的觀察。

本設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)與觀察，對(duì)比分析反應(yīng)前后固體的顏色、條形磁鐵的吸引情況、注射器內(nèi)氣體體積的變化，強(qiáng)化證據(jù)推理、模型解釋、反思與創(chuàng)新等思維能力，引導(dǎo)學(xué)生從宏微符結(jié)合、定性和定量結(jié)合、現(xiàn)象與本質(zhì)等多角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)，突破學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，引導(dǎo)深度學(xué)習(xí)，發(fā)展核心素養(yǎng)［5］。

參考文獻(xiàn)：

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