一氧化碳還原氧化鐵的實證探索與教學思考

文章編號：1005－6629(2007)11－0013－03中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：C

《化學教學》2007年第5期3頁上，有“一氧化碳還原氧化鐵教學中幾個問題探究與反思”的一篇文章。筆者在仔細閱讀這篇文章之后走進實驗室，對CO還原Fe2O3的全過程進行了多方位，多角度地認真探索。本文擬想補充幾點認識。

1CO(或H2)還原Fe2O3是逐步進行的

我們可以從冶金學原理和大學無機化學[1]中查到氧化物的自由能——溫度圖(又稱埃林漢姆圖)。其中Fe的氧化物的熱穩定性順序是：

還原性順序則與此相反：

實驗證明，無論是用CO作還原劑，抑或是用H2作還原劑，氧化鐵(Fe2O3)的還原過程都是逐步進行的[2]：

首先是Fe2O3還原成Fe3O4：

然后是Fe3O4被還原成FeO：

最后，FeO被CO還原成Fe：

總反應是：

文革前人教版的高中化學第三冊(第一分冊)的134頁圖29特地指出：“高爐煉鐵的全部還原過程都是500℃～800℃在高爐的爐身部分完成的”。總反應式所標示的是“高溫”，顯然是代表Fe3O4→Fe，特別是代表FeO→Fe的還原過程所必需的反應條件。

2實驗室用酒精燈加熱(400℃～500℃)的溫和條件下，CO很難最終把Fe2O3還原成Fe

按上世紀80年代～90年代的高中化學教材所圖示的裝置(如圖)和操作方法進行實驗，即使還原過程長達30min以上，實驗過程中你會發現：

①不通CO，單獨加熱玻璃管里的Fe2O3粉末，粉末也會由“紅棕”色逐漸變“黑”。所不同的是，粉末一旦冷卻，又會恢復成加熱前的紅棕色。

②先通入CO，然后加熱，玻璃管里的粉末會由紅棕色逐漸變黑。問題是這種黑色粉末主要不是單質Fe。盡管它可以被磁鐵吸引，但是它卻不具有單質鐵的其它的更為特征的性質。例如：用這種黑色粉末分做以下實驗：

實驗1取少量黑色粉末放入試管里，注入約5mL水，然后用膠頭滴管沿著試管壁緩慢注入濃鹽酸——讓溶液的酸度(酸的濃度)逐漸增大，你會發現，黑色粉末只可能在熱的酸溶液中逐漸溶解，溶液顯橙黃綠色(生成FeCl3、FeCl2)，但自始至終都沒有明顯的氫氣泡產生。

實驗2三個試管里都注入2mL CuSO4的濃溶液。第一個試管用作對比觀察，第二個試管用幾滴硫酸把CuSO4溶液酸化，第三個試管用水稀釋1～2倍成更稀的CuSO4溶液，然后分別加入相同量的黑色粉末，振蕩，靜置觀察。你又會發現，三個試管中都沒有紅色的Cu被轉換出來。而且溶液的顏色也沒有明顯的變化，磁鐵仍然可以從試管外明顯感應(動)試管內的黑色粉末，這說明黑色粉末沒有跟CuSO4溶液發生置換反應。

實驗3在酒精燈的外焰上平放一塊鐵絲網，當燈焰把鐵絲網燒呈紅熱狀態時，把黑色粉末撒在紅熱的鐵絲網上，可見黑色粉末在空氣中燃燒呈棕紅色火焰后，變成了紅色粉末(Fe2O3)。

實驗4把黑色粉末鋪放在一條寬約2cm，長約10cm～15cm的紙槽內(粉末不能斷續)，當點燃紙條的一端，粉末會被明火引燃，由始端燃燒至終端后，也變成紅色粉末(Fe2O3)。

既然反應后的黑色粉末不具有單質鐵的性質，那它就不是單質鐵，這就說明，在實驗室酒精燈(不是酒精噴燈)加熱(400℃～500℃)的溫和條件下，CO和H2等還原劑不可能把Fe2O3中的鐵最終還原成單質態Fe。這個事實從另一個角度證明了CO還原Fe2O3是逐步進行的。在用酒精燈加熱的溫和條件下，在由Fe2O3Fe3O4FeOFe的過程中，完成①是絕對的多，完成②是相對的少，而要大量實現③，那幾乎是不可能的。

3黑色物質化學成分的理性探討

首先說，Fe2O3被CO還原是有條件的。下面是Fe2O3→Fe3O4、Fe3O4→FeO、FeO→Fe和C—CO的埃林漢姆圖。

可見，在適當的條件下，Fe2O3、Fe3O4、FeO都能被CO還原成Fe。當溫度高于A'(約300℃以上)，Fe2O3容易被還原成Fe3O4；當溫度高于B'(約600℃以上)，Fe3O4才容易被還原成FeO；只有當溫度高于C'(約700℃以上)，FeO才可以大量還原成單質Fe。在實驗室用酒精燈加熱(400℃～500℃)的溫和的實驗條件下，還原產物的絕對主要成分，當然只能是有強磁性的黑色的Fe3O4，而FeO只能是很少部分，僅有極少量的單質Fe那是理所當然的。或者說沒有單質Fe，既是合乎邏輯的，又是符合實際的。

4對Fe2O3、Fe3O4和Fe的性質的幾點補充認識

4.1 Fe2O3

普通呈紅色粉末狀的化學純的Fe2O3，實際是α型Fe2O3，它不溶于冷的稀鹽酸，只溶于濃的和熱的稀鹽酸。

取5個試管。第一個試管裝2mL試劑濃鹽酸，以后的試管都取2mL濃鹽酸，用水按體積比1∶1，1∶2，1∶3，1∶4稀釋后，再分別加入少量相同量的Fe2O3粉末，振蕩、靜置觀察，你會發現：Fe2O3與濃鹽酸反應十分發慢，1∶1稀鹽酸更慢，更稀的鹽酸幾乎觀察不到有反應的跡象發生(溶液近乎無色)，如果用CO還原Fe2O3的時間短，比如0.5min，2min，Fe2O3還原不完全，留下的Fe2O3仍呈紅色，當用稀鹽酸和CuSO4溶液檢驗黑色粉末的成分時，未反應完的紅色的Fe2O3無疑會有所干擾。

有一個事實想必不一定為多數人熟悉。

把半藥匙紅色Fe2O3粉末，或一些橙黃色的鐵銹放在試管中加熱，你會發現，紅色的Fe2O3或橙黃色的鐵銹會迅速即變黑，冷后又迅速恢復成加熱前的紅色和橙黃色。

不僅是紅色Fe2O3，事實上很多無機化合物的顏色，往往隨著溫度的升高顏色變深(見下表)[5]。

可見，一些無機化合物的顏色隨溫度的升高顏色變深，是一種帶普遍性的規律。鑒于此，在CO還原Fe2O3的實驗里，不能完全憑借反應物的顏色由紅變黑去判斷反應是否已經發生，或者已經反應完全。這或許是教材的編著者和一些實驗者曾經被疏漏了的。

4.2Fe3O4

盡管Fe在空氣中燃燒生成Fe3O4，但是工業上大量的化學試劑(Fe3O4)，都是用H2還原Fe2O3來獲取的，這是因為Fe2O3有較強的氧化性，可以在較低的溫度(400℃)下，用H2還原Fe2O3，獲得高純度的Fe3O4。

有個事實值得注意，Fe粉和Fe3O4都是黑色粉末，都可以被磁鐵吸引，因此，我們也不可以僅憑“玻璃管里的粉末由紅棕色逐漸變黑”，就直接結論性地說“這種黑色粉末就是被還原出來的鐵”；也不能憑鐵粉可以在空氣里燃燒，就說那黑色粉末一定是鐵。事實上Fe3O4也能在空氣中燃燒。所不同的是Fe在空氣中燃燒生成黑色的Fe3O4，而在本實驗條件下還原生成的Fe3O4在空氣中燃燒，是生成紅色的Fe2O3：

(2Fe3O4+1/2 O2(空氣)3Fe2O3)

這或許是Fe和Fe3O4兩種黑色粉末的一種鑒別方法。

4.3 Fe

常常有實驗者會問，Fe在空氣(O2)中燃燒是生成黑色Fe3O4，何以不生成紅色Fe2O3呢？

如前所述，從熱穩定性看FeO>Fe3O4>Fe2O3，Fe在O2中燃燒所產生的高溫，足可以使Fe熔化(Fe的熔點是1535℃)，已沒有Fe2O3穩定存在的條件。事實上高溫灼燒Fe2O3會發生下式分解：

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，要認識其中是否含有Fe，我認為按前述的實驗1和實驗2的方法進行鑒定：前者觀察是否有氫氣泡產生，后者觀察是否有紅色的Cu被還原出來進行鑒定和判斷。

5教學(導學)思考

在教學演示用酒精燈加熱的條件下CO不能把Fe2O3中的鐵還原成單質Fe的實驗事實，我們可以從中吸取到幾種教訓。

①有時大家認為很簡單的問題，其實并不簡單；有時大家認為已經完全解決了的問題，實際并未完全解決。

②科學需要嚴密，重微末，忌疏漏。一種正確的結論，既要有符合邏輯的理論(文獻)支撐，更要有經得起檢驗的可靠的實驗事實。

③“邏輯是證明的工具，理性的直覺是發現的工具”，這是人們普遍信奉的格言。但是筆者想說，如果我們直覺的事實不真、不實，我們能不推出錯誤的結果嗎？值得注意的是，我們不能憑借高爐煉鐵(高溫)時CO還原出了Fe，而在實驗室里僅僅用酒精燈加熱也一定會有如此顯量的Fe被還原出來。兩者反應條件如此的迥異，怎么可能有相同的結果呢？

參考文獻：

[1]北京師范大學等校，無機化學下冊第四版[M].高教出版社.2003.

[2]高中化學第三冊(上)[S].人民教育出版社.1961.

[3]朱洪法.實用化工辭典[M].金盾出版社.2004，12.

[4]費子文等.中國冶金百科全書[M].冶金工業出版社.2001.

[5]劉懷樂.關于“鈉在空氣中燃燒”實驗的教學研究[J].實驗教學與儀器[M].2005.4(4).

[6]高中化學(甲種本)第三冊[S].人教社.1981.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”