“还原氧化铁”实验的改进

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摘 要：在长期的实验教学中，我们要给学生做很多的演示实验。有些实验的现象比较明显，而有些在课堂上容易造成误解。所以，对这样的实验，教师在课堂上常常只是讲解而不去做，“一氧化碳与氧化铁的反应”实验就是这样一个例子。本人对“一氧化碳与氧化铁的反应”实验进行改进，用甲烷代替一氧化碳做还原剂，使用酒精喷灯代替酒精灯加热，改进实验步骤，使实验现象明显，且更安全、环保、科学、节能。

关键词：甲烷 还原氧化铁 化学实验 实验教学

一、改进的背景

一般的教材在讲“铁的冶炼合金”时都会用“一氧化碳与氧化铁的反应”作为演示实验，其步骤为：

用铁架台固定住硬质玻璃试管，在试管中放入少量氧化铁粉末，先通入一氧化碳一段时间（目的是排尽玻璃试管内的空气，防止加热时玻璃试管内的一氧化碳与空气的混合气体发生爆炸）；

点燃酒精喷灯给氧化铁加热；

熄灭酒精喷灯，继续通一氧化碳直至装置冷却（防止刚生成的铁在高温下又与氧气反应，使实验失败）；

停止通入一氧化碳，观察石灰水有什么变化；

把得到的黑色粉末倒在白纸上观察，试验它能不能被磁铁吸起，判断反应中生成了什么物质。

对于该实验，有很多教师在课堂很少演示，原因主要有：第一，一氧化碳是无色无味且有毒的气体，实验中若漏气或尾气处理不当，必然会造成污染，危及师生健康；第二，一氧化碳有可燃性，其体积分数达到12.5%～74%时，有爆炸危险；第三，该实验所得到的黑色粉末，放入盐酸或硫酸铜溶液后、无明显现象。

二、实验装置图及说明

实验装置改进前后见图1和图2。

改进说明：

用甲烷取代一氧化碳作还原剂；

加热氧化铁的仪器由酒精灯改为酒精喷灯；

直硬质粗玻璃试管两端的橡皮管上各增加一个止水夹（图中未画出）。

三、改进实验步骤及现象

1.实验操作及现象

按改进后的实验装置图（见图2）：

（1）按实验要求先制取甲烷气体，并通入用铁架台固定住的硬质玻璃试管中；

（2）用酒精喷灯加热氧化铁，石灰水变浑浊，固体粉末有红棕色逐渐变成黑色；

（3）停止加热硬质粗直玻璃试管，并迅速夹紧直玻璃试管两端的止水夹，同时断开进气管，停止加热制取甲烷；

（4）硬质粗直玻璃试管冷却后，用磁铁吸引，并把所得黑色粉末分成两份，向其中一份加入稀盐酸，发现有许多小气泡冒出，向另一份加入硫酸铜溶液，发现黑色粉末逐渐变成红色固体。

2.实验条件分析

文献资料显示；用一氧化碳还原氧化铁，当温度高于300℃时，Fe2O3容易被还原成Fe3O2；当温度高于600℃时，Fe3O2才容易被氧化成FeO；只有当温度高于770℃时，FeO才可大量还原成Fe。在实验室用酒精灯加热（400℃～500℃）的条件下，还原产物的主要成分是有强磁性的黑色的Fe3O2和少量的FeO以及极少量的单质Fe。用甲烷还原氧化铁时，只有当温度达到770℃以上时，氧化铁中的晶格氧才能耗尽，出现金属铁。因此，无论是用一氧化碳还是用甲烷作还原剂，改用酒精喷灯加热氧化铁是很有必要的，这样做既可以缩短反应的时间，又能得到可以被磁铁吸引且与稀盐酸反应能产生大量小气泡的黑色粉末，从而得出有单质铁生成的科学结论。

3.实验的优点

（1）甲烷的爆炸极限为5%～15%，相对一氧化碳的要小得多，安全性好；

（2）改进后使用无毒的甲烷气体更环保；

（3）在直玻璃试管两端的橡皮管上各加一个止水夹，当观察到红棕色的粉末变成黑色后，可及时夹紧止水夹，隔绝空气，无需一直通气到直玻璃试管冷却，因此既节能又省时；

（4）所有仪器及药品均为中学实验室所常见的，有利于普遍推广。