一氧化碳还原氧化铁的进阶式实验设计

摘要

针对教科书上一氧化碳还原氧化铁实验存在的瑕疵，对其进行进阶式实验改进——借助石英玻璃管、多功能瓶、注射器和小气球等常规实验用品，设计出一组进阶式实验装置，不仅帮助学生深刻认识一氧化碳的还原性和工业炼铁的化学原理，还为学生的思维生长架设阶梯，从而不断提升和发展学生的科学思维。

Graphical abstract

关键词

一氧化碳 / 还原性 / 氧化铁 / 科学思维 / 进阶式实验 / 设计

大量教学实践证明，在实验创新活动中设计进阶式实验^［1-4］，可以激发学生的批判意识、质疑能力和创新精神，能够有效提升学生的证据推理与模型认知素养。一氧化碳还原氧化铁实验旨在引导学生认识炼铁的原理，现行多个版本的化学九年级教科书都编排了该实验^［5-9］，装置如图1所示。

客观地说，教科书设计实验的现象很明显，但其实验装置不够简洁（涉及储气装置、还原装置、气态产物检验装置、尾气处理装置等），组装起来很麻烦；尤其是加热前通入一氧化碳气体时，不能及时观察玻璃管内空气是否排尽，这给实验操作带来了很大的安全隐患（为了确保实验过程不发生意外，操作者只好长时间地通入一氧化碳气体）；另外，整个实验过程需要较多的一氧化碳气体（一次实验至少需要700～800 mL）。

基于促进学生思维进阶发展的考量，笔者设计了3个进阶式实验装置，取得了明显的教学效果，受到了师生的普遍欢迎。

1 优化尾气处理，简化实验装置

教科书上呈现的实验装置，对“气体产物的检验”和“尾气的处理”是分别设置的。笔者设想：能否将两者合二为一？为解决问题，笔者引导学生采用“省略法”“主体附加法”等创新技法^［10］，成功地将“气体产物的检验”和“尾气的处理”两个局部装置融为一体。

1.1 实验用品

储气球（带有玻璃旋塞）、石英玻璃管（外径约1.8 cm、长约18.0 cm）、铁架台、酒精喷灯、火柴、250 mL集气瓶（实际容积约320 mL）、橡皮塞、药匙、氧化铁粉末、磁铁；一氧化碳气体、澄清石灰水、稀盐酸。

1.2 实验装置Ⅰ

新设计的实验装置Ⅰ如图2所示。

1.3 实验步骤

（1） 取一只250 mL集气瓶，向瓶内倒满澄清石灰水；取一支石英玻璃管，向其中加入适量的氧化铁粉末，并平铺于石英玻璃管底部；准备一只储气球（带有玻璃旋塞），向其中充入足量的一氧化碳气体；按图2所示，连接好实验装置（确保装置气密性良好）。

（2） 轻轻打开玻璃旋塞，即可向石英玻璃管内缓缓通入一氧化碳气体（与此同时，尾气同步进入集气瓶内并同步排出石灰水），估计完全排尽了石英玻璃管内的空气后，再加热氧化铁粉末。

（3） 加热氧化铁粉末不到3 min，澄清石灰水变浑浊，红棕色氧化铁粉末变为黑色；当氧化铁粉末全部变为黑色后，关闭玻璃旋塞（停止通气），撤去酒精喷灯；待石英玻璃管冷却至室温后，倒出黑色粉末于白纸上，发现黑色粉末能被磁铁吸引；将黑色粉末倒入足量的稀盐酸中，发现黑色粉末逐渐溶解，溶液中持续冒出气泡。由以上实验现象可知：一氧化碳还原氧化铁的固体产物是金属铁，气体产物是二氧化碳（化学方程式是：3CO+Fe₂O₃ ^高温 2Fe+3CO₂，下同）。

（4） 拔掉集气瓶上的双孔橡皮塞，用火柴点燃瓶内的尾气，即可将其中的一氧化碳气体转化为无毒的二氧化碳气体（化学方程式是：2CO+O₂ ^点燃 2CO₂，下同）。

1.4 实验优点

（1） 将“气体产物的检验装置”与“尾气的处理装置”合二为一，塑造出多功能瓶，简化了实验用品和实验操作步骤，提升了学生的模型认知水平。

（2） 对实验方案的改进、实验现象的分析、实验结论的推断，凸显了化学实验的魅力，培养了学生的科学思维。

2 强化定量设计，判断空气排尽

改进装置Ⅰ（图2）的实验效果虽然不错，但仍然没有解决“玻璃管内的空气何时排尽”的难题。在保留改进装置Ⅰ优点的基础上，笔者采用“等值交换法”“异类组合法”等创新技法^［10］，为多功能瓶增设安全标记，以便师生 及时观察石英玻璃管内空气是否排尽。

2.1 实验用品

储气球（带有玻璃旋塞）、石英玻璃管（外径约1.8 cm、长约18.0 cm）、量筒、铁架台、酒精喷灯、火柴、250 mL集气瓶（实际容积约320 mL）、橡皮塞、氧化铁粉末、药匙；一氧化碳气体、澄清石灰水、硫酸铜溶液。

2.2 实验装置Ⅱ

新设计的实验装置Ⅱ如图3所示。

2.3 实验步骤

（1） 准备一只储气球（带有玻璃旋塞），向其中充入足量的一氧化碳气体；运用圆柱体容积计算公式，推算出外径约1.8 cm、长约18.0 cm的石英玻璃管的容积约为45 mL（或用水量法测出其容积^［11-12］），然后向石英玻璃管内加入适量氧化铁粉末，并平铺于石英玻璃管底部；取一只250 mL集气瓶，用水量法测出瓶子上部容积为45 mL的位置（即：先将集气瓶盛满水，再倒出45 mL的水，剩下水的液面处即是45 mL刻度线），再用记号笔在集气瓶外壁对应位置画上标记，然后向集气瓶中倒澄清石灰水至满。

（2） 按图3所示，连接好实验装置（确保装置不漏气）；打开玻璃旋塞，向石英玻璃管中缓缓通入一氧化碳气体，当集气瓶内液面下降到45 mL标志线时，说明石英玻璃管内空气已与集气瓶中的石灰水实现“等体积交换”，即管内空气已排尽，就可以放心加热氧化铁粉末。

（3） 加热氧化铁粉末不到3 min，就可以观察到：澄清的石灰水变浑浊，红棕色的粉末变为黑色；当氧化铁粉末全部变为黑色后，关闭玻璃旋塞（停止通气），撤去酒精喷灯；待石英玻璃管冷却至室温后，将少量的黑色粉末加入足量的硫酸铜溶液中，发现有红色固体析出。结合上述实验现象可知，一氧化碳还原氧化铁的气体产物是二氧化碳，固体产物是金属铁。

（4） 拔掉集气瓶上的双孔橡皮塞，将其中的尾气直接用火柴点火烧掉。

2.4 实验优点

（1） 盛满石灰水的集气瓶具有多项功能：收集尾气、处理尾气、检验二氧化碳、吸收二氧化碳、指示石英玻璃管内空气是否排尽等，有利于学生感知实验创新的应用价值。

（2） 增设安全标记的多功能瓶，可以直观感知石英玻璃管内空气是否排尽，提高了实验的安全系数和可操作性，增强了学生抵御科学风险的能力。

（3） 实验方案由定性感知进阶到定量判断，提升了学生的科学思维。

3 引入微型仪器，减少药品用量

改进装置Ⅱ（图3）固然解决了实验的安全隐患，但一氧化碳气体的用量仍然较大，致使每次实验都需要消耗较多的浓硫酸和甲酸。为使实验装置更加完美，笔者采用“缩小法”“替换法”“定量思维法”等创新技法^［10］，继续优化实验装置，以实现化学药品的减量。

3.1 实验用品

100 mL注射器、石英玻璃管（外径约1.1 cm、长约18.0 cm）、小气球、量筒、铁架台、酒精喷灯、火柴、集气瓶、橡皮塞、止水夹、剪成斜口的饮料吸管、氧化铁粉末、蓝色石蕊试纸；一氧化碳气体、稀盐酸。

3.2 实验装置Ⅲ

新设计的实验装置Ⅲ如图4所示。

3.3 实验步骤

（1） 选取一支100 mL注射器，利用其吸入70～90 mL的一氧化碳气体；截取一支外径约1.1 cm、长约18.0 cm的石英玻璃管，运用圆柱体容积计算公式推算出其容积约为17 mL（或用水量法测出其容积）；借助剪成斜口的饮料吸管，将适量的氧化铁粉末送入石英玻璃管内，并平铺于石英玻璃管的底部，然后在管的另一端放入一张湿润的蓝色石蕊试纸。

（2） 按图4所示，连接好装置，要求确保装置的气密性良好；轻轻推动注射器活塞，向石英玻璃管内缓缓通入一氧化碳气体，当推出17 mL的一氧化碳气体时，说明管内空气已基本上排入小气球内，接下来即可加热氧化铁粉末。

（3） 加热氧化铁粉末不到2 min，即可观察到：湿润的蓝色石蕊试纸变红色，红棕色的粉末变为黑色；当红棕色粉末全部变为黑色后，停止通入一氧化碳气体，熄灭酒精喷灯；待石英玻璃管冷却至室温后，取出少许黑色粉末并将其加入稀盐酸中，此时溶液中冒出气泡。分析上述实验现象不难得出：一氧化碳还原氧化铁的产物是金属铁和二氧化碳气体。

（4） 取下小气球，在其口处用火柴点火，就能将小气球内的尾气直接烧掉。

3.4 实验优点

（1） 利用小气球收集、处理尾气，简约方便；用石蕊试纸替换石灰水，减少了操作步骤，简化了装置结构。

（2） 借助注射器将一定量的一氧化碳气体通入容积定量的石英玻璃管内，不仅能够及时知道管内空气是否排尽，而且非常节省一氧化碳气体（实验所需一氧化碳气体仅70 mL左右）。

（3） 装置的设计突出了实验的安全性、便捷性和简约性；改进实验实现宏微结合，升华了学生的科学思维。

4 结语

围绕一氧化碳还原氧化铁实验进行进阶式实验创新，实验方案得到渐进式完善，药品的用量由多到少，实验的价值由小增大，科学思维由浅入深，显著提升了化学实验的育人价值。

无疑，基于化学思维进阶的实验创新，能够设计出更多贴近学生认知水平的化学实验，从而不断丰富实验资源，培养学生的创新技能和实践能力。

参考文献

[1] 周广，李德前.“探究微粒的运动”进阶式实验教学设计［J］.化学教学，2022（04）：71-74.

[2] 费晓艳，陆晓金.“碳氧平衡”实验的进阶式改进［J］.实验教学与仪器，2023，40（07）：67-69.

[3] 周广，刘翠，李德前.基于化学思维进阶的实验创新设计［J］.实验教学与仪器，2020，37（02）：38-40.

[4] 匡友成，程岭，钱竹韵，等.学习进阶理论视域下结构化课堂构建的基本理路［J］.教育与装备研究，2024，40（04）：41-47.

[5] 王祖浩.义务教育教科书化学九年级上册［M］.上海：上海教育出版社，2024.

[6] 钱扬义.义务教育教科书化学九年级下册［M］.北京：科学出版社，2024.

[7] 裴坚.义务教育教科书化学九年级下册［M］.北京：北京出版社，2024.

[8] 周青.义务教育教科书化学九年级下册［M］.北京：科学普及出版社，2024.

[9] 毕华林.义务教育教科书化学九年级下册［M］.济南：山东教育出版社，2024.

[10] 李德前.例谈初中化学实验创新的思维方法［J］.化学教学，2013（03）：65-68.

[11] 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，2012，28（03）：16-17.

[12] 魏海，周良，李德前.“一氧化碳还原氧化铁”实验装置新设计［J］.化学教学，2017（09）：66-68.