一氧化碳还原氧化铁实证探索及教学思索

一氧化碳还原氧化铁实证探索及教学思索 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 1 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 2 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?是绝对的多,完成?是相对的少,而要大量实现?,那 3 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 4 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 5 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 6 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, 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 7 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 8