一氧化碳还原氧化铜_一氧化碳还原氧化铁的实证探索与教学思考
时间：2019-02-05 03:26:00 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
文章编号：1005－6629(2007)11－0013－03中图分类号：G633.8 文献标识码：C 《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。
1CO(或H2)还原Fe2O3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：
还原性顺序则与此相反：
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：
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500℃～800℃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Fe3O4→Fe，特别是代表FeO→Fe的还原过程所必需的反应条件。
2实验室用酒精灯加热(400℃～500℃)的温和条件下，CO很难最终把Fe2O3还原成Fe
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：
①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。
②先通入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：
实验1取少量黑色粉末放入试管里，注入约5mL水，然后用胶头滴管沿着试管壁缓慢注入浓盐酸――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2三个试管里都注入2mL CuSO4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1～2倍成更稀的CuSO4溶液，然后分别加入相同量的黑色粉末，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(400℃～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，在由Fe2O3Fe3O4FeOFe的过程中，完成①是绝对的多，完成②是相对的少，而要大量实现③，那几乎是不可能的。
3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、FeO→Fe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Fe3O4；当温度高于B"(约600℃以上)，Fe3O4才容易被还原成FeO；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(400℃～500℃)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对Fe2O3、Fe3O4和Fe的性质的几点补充认识
4.1 Fe2O3
普通呈红色粉末状的化学纯的Fe2O3，实际是α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1∶1，1∶2，1∶3，1∶4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，1∶1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。
4.2Fe3O4
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：
(2Fe3O4+1/2 O2(空气)3Fe2O3)
这或许是Fe和Fe3O4两种黑色粉末的一种鉴别方法。
4.3 Fe
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FeO>Fe3O4>Fe2O3，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：
3Fe2O32Fe3O4+1/2 O2
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教学(导学)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。
①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。
②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。
③“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？
参考文献：
[1]北京师范大学等校，无机化学下册第四版[M].高教出版社.2003.
[2]高中化学第三册(上)[S].人民教育出版社.1961.
[3]朱洪法.实用化工辞典[M].金盾出版社.2004,12.
[4]费子文等.中国冶金百科全书[M].冶金工业出版社.2001.
[5]刘怀乐.关于“钠在空气中燃烧”实验的教学研究[J].实验教学与仪器[M].2005.4(4).
[6]高中化学(甲种本)第三册[S].人教社.1981.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文
