“一氧化碳还原氧化铁”实验装置新设计

魏海+周良+李德前

摘要：为了增强疑难实验的教学效果，研制了一套“一氧化碳还原氧化铁”的新实验装置。依据注射器原理，巧妙设计了一个全封闭的反应体系，既能方便地加入氧化铁粉末，又能免用一氧化碳来彻底清除反应管中的空气，使氧化铁在充满一氧化碳气流的环境中受热，提高了实验的安全性和可操作性。

关键词：一氧化碳；氧化铁；还原反应；实验装置设计；实验改进

文章编号：1005–6629（2017）9–0066–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

在现行沪教版（全国通用教材）、鲁教版、仁爱版九年级化学教科书中，均安排了“一氧化碳还原氧化铁”实验[1～3]。教科书上该实验方案的最大不足是，不能及时知道玻璃管内的空气何时排完，因而增加了实验风险、加大了药品用量[4]。

近年来，很多化学教育工作者对该实验进行了改进，如王宝权老师依据注射器原理对该实验的反应体系进行了重新设计[5]（实验装置见笔者绘制的图1），但其改进方案中的氧化铁是在静态的一氧化碳气体中受热，这不符合高炉炼铁的原理；另外，借助插入活塞中的燃烧匙将固体粉末投放于水平玻璃管的中部位置，操作起来难度较大（因为燃烧匙的铜质小勺与铁丝柄是垂直的）。受王宝权老师改进思路的启发，笔者对“一氧化碳还原氧化铁”实验进行了进一步优化。

1 实验用品

气囊（存储一氧化碳气体）；20mm×180mm的石英玻璃管（可从淘宝网定制），与之配套的特殊橡皮塞（用3号橡皮塞加工而成）；单孔活塞（用20mL注射器的活塞加工而成），与单孔活塞配套的1mm×6mm×200mm的金属管（建材市场、水暖商店、空调修理处、淘宝网等均有售）；250mL的广口瓶，与广口瓶配套的双孔橡皮塞；酒精喷灯；乳胶管、玻璃导管、7号注射器针头；铁架台（含有铁夹）等

氧化铁粉末，一氧化碳气体，澄清石灰水等

2 实验操作

2.1 自制单孔活塞及斜口金属管

（1）取一根外徑约6mm、管壁厚约1mm、长约200mm的金属管，并将其一端打磨成斜口。

（2）从20mL注射器上取下活塞，在活塞中心打孔，使其成为单孔活塞（该活塞与20mm×180mm石英玻璃管内壁正好吻合）。

（3）像图2那样，将斜口金属管插入单孔活塞中，仅露出斜口（金属管既是导气管又是活塞推杆）。

2.2 制作特殊橡皮塞

（1）取一个3号橡皮塞（大头直径23mm、小头直径17mm、高26mm），在其小头的中心挖一个凹孔（不穿透），使金属管的斜口刚好能完全插入（见图3）。

（2）在橡皮塞的中孔与边缘之间，插入7号注射器针头，并露出橡皮塞少许，然后将针尖打磨掉（见图3）。

2.3 连接实验装置

（1）取适量氧化铁粉末放在金属管的斜口里，然后将带有活塞的斜口金属管小心翼翼地插入20mm×180mm的石英玻璃管内（见图4-A），并将活塞推至玻璃管的最左端，使金属管的斜口完全插入橡皮塞的预留凹孔内（见图4-B）。然后根据酒精喷灯外焰的位置，将石英玻璃管固定到铁架台上。

（2）取一个250mL的广口瓶，注满澄清的石灰水，然后在瓶口塞上带有两根长导管的双孔橡皮塞（见图5）；该仪器组合可以检验二氧化碳气体、收集尾气[6]（以下简称多功能瓶）。

（3）按图6连接好整个实验装置，轻轻打开玻璃旋塞少许，释放少量的一氧化碳气体。如果观察到多功能瓶内立即冒出气泡，同时排液管口有液体流出，则说明装置不漏气。

（4）手持金属管，向右缓缓拉动活塞，这样一氧化碳气体就会被吸入石英玻璃管里（这样封闭的玻璃管内几乎没有空气残留）；当活塞被拉到石英玻璃管的中部时停止，此时拧松铁架台上的铁夹，轻轻旋转石英玻璃管180°，将氧化铁粉末全部倾倒在玻璃管内，并用手指轻弹玻璃管中部，以使氧化铁粉末尽量平铺在玻璃管底；再次旋紧铁夹，继续向右拉动活塞，在距离石英玻璃管的右端口2～3cm的位置停下，然后关闭玻璃旋塞。

2.4 进行CO还原氧化铁的实验

（1）点燃酒精喷灯，预热石英玻璃管；然后打开玻璃旋塞，缓缓释放适量的一氧化碳气体，同时酒精喷灯的外焰对准氧化铁粉末加热（见图7）。

（2）当加热到约80s时，多功能瓶下部的石灰水明显变浑；加热到约120s，红棕色粉末开始变为黑色，石灰水更加浑浊；加热到约200s，红棕色粉末全部变为黑色。稍后，熄灭酒精喷灯，关闭玻璃旋塞，并把弹簧夹夹到乳胶管上（以防石灰水倒流）。

（3）当石英玻璃管冷却至温室时，松开弹簧夹，向左推动活塞，以使玻璃管内残留的气体全部进入多功能瓶；接下来，拔掉双孔橡皮塞，直接点燃多功能瓶内的尾气。

（4）拔掉玻璃管左端口上的橡皮塞，倒出玻璃管内的黑色固体于白纸上，用磁铁靠近，黑色粉末被吸引；再取少许黑色粉末装入试管里，滴加足量的稀盐酸（或硫酸铜溶液），溶液中冒气泡（或黑色粉末变红色）。该实验现象说明，还原出来的固体产物有铁。

（5）实验结束，拆开实验装置，清洗、整理实验用品。

3 注意事项

（1）如果活塞在石英玻璃管内移动时的摩擦力较大，可以在活塞的侧面涂抹少许氧化铁粉末（或医用滑石粉）。

（2）在连接实验装置的过程中，为了防止金属管斜口内的氧化铁粉末提前洒落下来，必须先将石英玻璃管固定在铁架台上，然后插入带有活塞的斜口金属管。

（3）多功能瓶要用大容积的广口瓶（如250mL），以确保尾气能被完全收集在广口瓶里；多功能瓶内进气管的管口，要比排液管的管口略高，以防气体从排液管逸至瓶外，污染环境。

4 实验优点

（1）本套实验装置，还可以演示“氢气还原氧化铜”实验[8]、“一氧化碳还原氧化铜”实验[9]。

（2）本实验类似注射器的反应体系，能确保石英玻璃管内只有一氧化碳气体而没有空气；单孔活塞与斜口金属管的组合，巧妙解决了向封闭装置里添加固体药品的难题，而且该组合可以反复使用。因此，提高了实验的安全性、可操作性和实用性。

（3）整个实验均在封闭的反应体系里进行，体现了化学实验的绿色化；完成本实验所需的一氧化碳气体较少（不到150mL），体现了化学实验的简约化。

总之，本套“一氧化碳还原氧化铁”实验装置的研制和使用，能够激发学生的创新意識，方便化学教师演示实验，同时丰富了中学化学实验装备、提高了实验教学的有效性。

参考文献：

[1]中学化学国家课程标准研制组.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M].上海：上海教育出版社，2011：124.

[2]毕华林，卢巍.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级下册）[M].济南：山东教育出版社，2012：59.

[3]北京市仁爱教育研究所.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级下册）[M].北京：北京教育出版社，2012：41～42.

[4]马逸群.安全便捷的一氧化碳还原氧化铁实验[J].教学仪器与实验，2012，（3）：16～17.

[5]王宝权.一氧化碳与氧化铁反应实验的再改进[J].教学仪器与实验，2014，（7）：27～28.

[6]李德前. CO还原CuO实验中尾气处理的又一种方法[J].中学化学，2003，（9）：23～23.

[7]刘怀乐.一氧化碳还原氧化铁的实证探索与教学思考[J].化学教学，2007，（11）：13～16.

[8]姚子鹏，陈基福，洪东福.九年义务教育课本·化学（九年级第二学期）[M].上海：上海教育出版社，2015：31.

[9]课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2015：124.