一氧化碳还原氧化铁的实证探索与教学思考一氧化碳还原氧化铁的实证探索与教学思考作者：刘怀乐 文章来源：化学教学 2007 年第 11 期 点击数： 2385 更新时间：2008-2-23刘怀乐刘怀乐 重庆巴蜀中学重庆巴蜀中学化学教学2007 年第 5 期 3 页上，有“一氧化碳还原氧化铁教学中几个问题探究与反思”的一篇文章。笔者在仔细阅读这篇文章之后走进实验室，对 CO 还原 Fe2O3 的全过程进行了多方位，多角度地认真探索。本文拟想补充几点认识。1 1、CO(CO(或或 H2)H2)还原还原 Fe2O3Fe2O3 是逐步进行的是逐步进行的我们可以从冶金学原理和大学无机化学1中查到氧化物的自由能温度图(又称埃林汉姆图)。其中 Fe 的氧化物的热稳定性顺序是 FeOFe3O4Fe2O3 还原性顺序则与此相反：Fe2O3Fe3O4FeO实验证明，无论是用 CO 作还原剂，抑或是用 H2 作还原剂，氧化铁(Fe2O3)的还原过程都是逐步进行的2：首先是 Fe2O3 还原成 Fe3O4：然后是 Fe3O4 被还原成 FeO：最后，FeO 被 CO 还原成 Fe：总反应是：资料指出，温度高于 710，Fe 能稳定存在，680710之间，FeO 稳定存在，低于 680，则主要是 Fe3O4。对于 CO 和 H2的还原性则普遍认为：温度低于 810，CO的还原性比 H2要强；高于 810，H2的还原性比 CO 要强。将 Fe2O3在不超过 1050的条件下通入 H2，可使之还原成铁粉4。文革前人教版的高中化学第三册(第一分册)的 134 页图 29 特地指出：“高炉炼铁的全部还原过程都是 500800在高炉的炉身部分完成的”。总反应式所标示的是“高温”，显然是代表 Fe3O4Fe，特别是代表 FeOFe 的还原过程所必需的反应条件。2 2、实验室用酒精灯加热、实验室用酒精灯加热(400(400500)500)的温和条件下，的温和条件下，COCO 很难最终把很难最终把 FeFe2 2O O3 3还原还原成成 FeFe按上世纪 80 年代90 年代的高中化学教材所图示的装置(如图)和操作方法进行实验，即使还原过程长达 30min 以上，实验过程中你会发现：不通 CO，单独加热玻璃管里的 Fe2O3粉末，粉末也会由“红棕”色逐渐变“黑”。所不同的是，粉末一旦冷却，又会恢复成加热前的红棕色。先通人 CO，然后加热，玻璃管里的粉末会由红棕色逐渐变黑。问题是这种黑色粉末主要不是单质 Fe。尽管它可以被磁铁吸引，但是它却不具有单质铁的其它的更为特征的性质。例如:用这种黑色粉末分做以下实验:一氧化碳还原氧化铁的实证探索与教学思考一氧化碳还原氧化铁的实证探索与教学思考作者：刘怀乐 文章来源：化学教学 2007 年第 11 期 点击数： 2387 更新时间：2008-2-23实验 1 取少量黑色粉末放人试管里，注人约 5mL 水，然后用胶头滴管沿着试管壁缓慢注人浓盐酸让溶液的酸度(酸的浓度)逐渐增大，你会发现，黑色粉末只可能在热的酸溶液中逐渐溶解，溶液显橙黄绿色(生成 FeCl3,FeCl2，但自始至终都没有明显的氢气泡产生。实验 2 三个试管里都注人 2ml, CuS04的浓溶液。第一个试管用作对比观察，第二个试管用几滴硫酸把 CuSO4溶液酸化，第三个试管用水稀释 12 倍成更稀的 CuS04溶液，然后分别加人相同量的黑色粉末，振荡，静置观察。你又会发现，三个试管中都没有红色的Cu 被转换出来。而且溶液的颜色也没有明显的变化，磁铁仍然可以从试管外明显感应(动)试管内的黑色粉末，这说明黑色粉末没有跟 CuSO4,溶液发生置换反应。实验 3 在酒精灯的外焰上平放一块铁丝网，当灯焰把铁丝网烧呈红热状态时，把黑色粉末撒在红热的铁丝网上，可见黑色粉末在空气中燃烧呈棕红色火焰后，变成了红色粉末(Fe2O3)。实验 4 把黑色粉末铺放在一条宽约 2cm，长约 10cm-15cm 的纸槽内(粉末不能断续)，当点燃纸条的一端，粉末会被明火引燃，由始端燃烧至终端后，也变成红色粉末(Fe2O3) .既然反应后的黑色粉末不具有单质铁的性质，那它就不是单质铁，这就说明，在实验室酒精灯(不是酒精喷灯)加热(4oo-500)的温和条件下，CO 和 H2等还原剂不可能把Fe2O3，中的铁最终还原成单质态 Fe。这个事实从另一个角度证明了 CO 还原 Fe2O3是逐步进行的。在用酒精灯加热的温和条件下，在邮 Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe 的过程中，完成是绝对的多，完成是相对的少，而要大量实现，那几乎是不可能的。3 3、黑色物质化学成分的理性探讨、黑色物质化学成分的理性探讨首先说，Fe2O3被 CO 还原是有条件的。下面是 Fe2O3 Fe3O4、Fe3O4 FeO、FeOFe 和 C CO 的埃林汉姆图。可见，在适当的条件下，Fe2O3, Fe3O4, FeO 都能被 CO 还原成 Fe。当温度高于A(约 300以上)，Fe2O3容易被还原成 Fe304,;当温度高于 B(约 600以上)，Fe3O4才容易被还原成 Fe0;只有当温度高于 C(约 700以上)，FeO 才可以大量还原成单质Fe。在实验室用酒精灯加热(400500)的温和的实验条件下，还原产物的绝对主要成分，当然只能是有强磁性的黑色的 Fe3O4，而 FeO 只能是很少部分，仅有极少量的单质 Fe 那是理所当然的。或者说没有单质 Fe，既是合乎逻辑的，又是符合实际的。4 4、对、对 FeFe2 2O O3 3、FeFe3 3O O4 4和和 FeFe 的性质的几点补充认识的性质的几点补充认识4.14.1 FeFe2 2O O3 3普通呈红色粉末状的化学纯的 Fe2O3，实际是 型 Fe2O3，它不溶于冷的稀盐酸，只溶于浓的和热的稀盐酸。取 5 个试管。第一个试管装 2mL 试剂浓盐酸，以后的试管都取 2mL 浓盐酸，用水按体积比 11，12，13，14 稀释后，再分别加入少量相同量的 Fe2O3粉末，振荡、静置观察，你会发现：Fe2O3与浓盐酸反应十分发慢，11 稀盐酸更慢，更稀的盐酸几乎观察不到有反应的迹象发生(溶液近乎无色)，如果用 CO 还原 Fe2O3的时间短，比如 0.5min，2min，Fe2O3还原不完全，留下的 Fe2O3仍呈红色，当用稀盐酸和 CuSO4溶液检验黑色粉末的成分时，未反应完的红色的 Fe2O3无疑会有所干扰。有一个事实想必不一定为多数人熟悉。把半药匙红色 Fe2O3粉末，或一些橙黄色的铁锈放在试管中加热，你会发现，红色的 Fe2O3或橙黄色的铁锈会迅速即变黑，冷后又迅速恢复成加热前的红色和橙黄色。不仅是红色 Fe2O3，事实上很多无机化合物的颜色，往往随着温度的升高颜色变深(见下表)5。可见，一些无机化合物的颜色随温度的升高颜色变深，是一种带普遍性的规律。鉴于此，在 CO 还原 Fe2O3的实验里，不能完全凭借反应物的颜色由红变黑去判断反应是否已经发生，或者已经反应完全。这或许是教材的编著者和一些实验者曾经被疏漏了的。4.24.2 FeFe3 3O O4 4尽管 Fe 在空气中燃烧生成 Fe3O4，但是工业上大量的化学试剂(Fe3O4)，都是用 H2还原 Fe2O3来获取的，这是因为 Fe2O3有较强的氧化性，可以在较低的温度(400)下，用 H2还原 Fe2O3，获得高纯度的 Fe3O4。有个事实值得注意，Fe 粉和 Fe3O4都是黑色粉末，都可以被磁铁吸引，因此，我们也不可以仅凭“玻璃管里的粉末由红棕色逐渐变黑”，就直接结论性地说“这种黑色粉末就是被还原出来的铁”；也不能凭铁粉可以在空气里燃烧，就说那黑色粉末一定是铁。事实上 Fe3O4也能在空气中燃烧。所不同的是 Fe 在空气中燃烧生成黑色的Fe3O4，而在本实验条件下还原生成的 Fe3O4在空气中燃烧，是生成红色的 Fe2O3：这或许是 Fe 和 Fe3O4 两种黑色粉末的一种鉴别方法。4.34.3 FeFe常常有实验者会问，Fe 在空气(O2)中燃烧是生成黑色 Fe3O4，何以不生成红色Fe2O3呢？如前所述，从热稳定性看 FeOFe3O4Fe2O3，Fe 在 O2中燃烧所产生的高温，足可以使 Fe 熔化(Fe 的熔点是 1535)，已没有 Fe2O3稳定存在的条件。事实上高温灼烧 Fe2O3会发生下式分解：再有，如果 Fe3O4中混有 Fe，或者是 Fe 中混有 Fe3O4，都是黑色的，要认识其中是否含有 Fe，我认为按前述的实验 1 和实验 2 的方法进行鉴定：前者观察是否有氢气泡产生，后者观察是否有红色的 Cu 被还原出来进行鉴定和判断。5 5、教学、教学( (导学导学) )思考思考在教学演示用酒精灯加热的条件下 CO 不能把 Fe2O3中的铁还原成单质 Fe 的实验事实，我们可以从中吸取到几种教训。有时大家认为很简单的问题，其实并不简单；有时大家认为已经完全解决了的问题，实际并未完全解决。科学需要严密，重微末，忌疏漏。一种正确的结论，既要有符合逻辑的理论(文献)支撑，更要有经得起检验的可靠的实验事实。“逻辑是证明的工具，理性的直觉是发现的工具”，这是人们普遍信奉的格言。但是笔者想说，如果我们直觉的事实不真、不实，我们能不推出错误的结果吗？值得注意的是，我们不能凭借高炉炼铁(高温)时 CO 还原出了 Fe，而在实验室里仅仅用酒精灯加热也一定会有如此显量的 Fe 被还原出来。两者反应条件如此的迥异，怎么可能有相同的结果呢？