实验-一氧化碳还原氧化铁

实验四 一氧化碳还原氧化铁

一、实验目的

1. 掌握实验室制备一氧化碳及其还原氧化铁的实验基本操作。

2. 通过实验理解一氧化碳的还原性。

二、实验原理

1. 一氧化碳的制取

实验室常用甲酸脱水的方法制取一氧化碳。将甲酸滴到80~90 ℃浓硫酸中，甲酸脱水生成一氧化碳，发生如下反应：

HCOOH浓H2SO4

80~90℃CO↑+H2O

如果没有甲酸，也可以用已二酸代替，但已二酸脱水法生成物除了一氧化碳外还有少量二氧化碳，将气体通入氢氧化钠溶液中吸收掉二氧化碳后，可得到较纯的一氧化碳。反应式为：

H2C2O4浓H2SO4175℃CO↑+CO2↑+H2O

2. 一氧化碳还原氧化铁

一氧化碳在空气或氧气中燃烧，生成二氧化碳，并放出大量的热。因此，一氧化碳是很好的气体燃料，燃烧时呈蓝色火焰，这一性质也使得一氧化碳成为冶金方面的良好还原剂。它在高温下可以从许多金属氧化物中夺取氧，使金属还原，实验室常用一氧化碳还原氧化铁。反应如下：

3CO+Fe2O3

三、实验用品 加热2Fe+3CO2

仪器和材料：长直玻璃管、大试管、小试管、分液漏斗、胶头滴管、短弯管、水槽，铁架台、煤气灯、储气瓶。

药品：浓硫酸、澄清石灰水、甲酸，氧化铁。

四、实验内容及操作

1．一氧化碳的制备

（1）取一支大试管，配上双孔橡胶塞，插入分液漏斗和直角导管。如图2-4-1所示连接好装置，检查装置的气密性；

（2）在大试管内注入20mL浓硫酸，分液漏斗中注入10mL甲酸，固定在铁架台上；用导管将大试管与装满水的储气瓶相连用来收集气体；

（3）缓慢的将甲酸滴入大试管中，用一个100mL集气瓶先收集满一瓶气体

以排掉装置内的空气（大试管及导管体积约为100mL）。然后，再收集一试管一氧化碳验纯。待收集到的气体纯净以后，再将接下来生成的气体通入储气瓶中储存。

图2-4-1 CO的制备装置

2．一氧化碳还原氧化铁的实验

（1）按图2-4-2连接好装置，检查装置的气密性；分液漏斗中装水，硬质玻璃管内装0.5g氧化铁；

（2）预估硬质玻管体积并在储气罐中做好标记。打开分液漏斗的活塞让水流至标记处，以排尽装置中的空气，关闭活塞；

（3）点燃煤气灯，再次打开活塞让水缓慢滴下，至反应物颜色发生变化即停止实验，记录反应时间。待产物完全冷却后，取出待用；

（4）重复上述步骤，在反应物颜色变化后继续加热5分钟。待产物冷却后，取出待用；

（5）取一干燥洁净的烧杯，加入足量的硫酸，称量；往烧杯中加入已称量的产物，充分反应；观察天平示数，直到30秒内示数不变，记下此时的质量；根据产生的气体量计算铁的含量；

（6）重复步骤5，分析加热5分钟后的产物中铁的含量。

图2-4-2 CO还原氧化铁实验装置

五、注意事项

1. 制备一氧化碳时，要注意甲酸的滴加速率不要过快，防止反应过于激烈，气流不稳，制得的一氧化碳不纯。

2. 做一氧化碳还原氧化铁实验时，要使用煤气灯或者酒精喷灯，确保加热温度达到700℃以上，以提高产物中单质铁的含量。

3. 通一氧化碳的速率不能过快，防止气流过大，把氧化铁粉末吹散，使反应不充分。

4. 反应的尾气要收集处理，防止污染空气。

六、讨论与研究

1. 一氧化碳还原氧化铁的黑色产物的分析

实验证明，若用酒精灯直接加热得到的主要产物并不是铁。图2-3-3为铁氧化物的自由能-温度图（又称埃汉姆图），表示Fe2O3→Fe3O4、Fe3O4→FeO、FeO→Fe和C→CO反应的自由能随温度的变化情况。由图可见，在适当的温度下，Fe2O3、Fe3O4、FeO都能被CO还原为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容易被还原成FeO；只有当温度高于C`（约700℃以上）时，FeO才可以大量还原成铁单质。因此，实验中要控制温度700℃以上。

图2-3-3 铁氧化物的自由能-温度图（埃林汉姆图）

Fe的氧化物的热稳定性顺序是：FeO>Fe3O4>Fe2O3，还原性顺序则与此相反：Fe2O3>Fe3O4>FeO。实验证明，用CO作还原剂还原氧化铁（Fe2O3）的过程是逐步进行的。

首先是Fe2O3还原成Fe3O4：

400~500℃3Fe2O3+CO

2Fe3O4+CO2

然后是Fe3O4被还原成FeO：

500~600℃Fe3O4+CO3FeO+CO2

最后才是FeO被还原成Fe：

600℃以上+COFeOFe+CO2

总反应方程式为：

3CO+Fe2O3高温2Fe+3CO2 因此，本实验成功的关键是控制加热温度在700℃以上。

2. 铁的不同氧化物的性质

（1）Fe2O3

氧化铁有多种类型，并且由于晶形不同和是否含有结晶水，又能呈现出多种不同的颜色。α-Fe2O3·H2O为黄色，称为铁黄；α-Fe2O3为红色，称为铁红；γ-Fe2O3为褐色。其中，铁黄和铁红常用作颜料，而γ-Fe2O3具有磁性，是常用的磁记录材料。三种类型的氧化铁之间可以进行转化。

普通呈红色粉末状的化学纯的Fe2O3，属α型Fe2O3。它不溶于冷的稀盐酸，只溶于浓盐酸和热的稀盐酸。红色的氧化铁粉末在加热的状态下颜色会发生变化，如把半药匙红色Fe2O3粉末或一些橙黄色的铁锈放在试管中加热，会发现红色的Fe2O3或橙黄色的铁锈迅速变黑，冷却后又迅速恢复成加热前的红色和橙色。不仅红色的Fe2O3有这一性质，很多无机化合物的颜色会随着温度的升高颜色变深。这是由于温度升高，离子的振幅加大，相反电荷离子靠的更近，产生强的极化作用，有利于电子的跃迁，从而导致无机金属化合物的颜色变深。几种金属无机化合物在常温和高温下的颜色如表2-1-1所示。

由此可见，一些无机化合物的颜色随温度的升高颜色变深是一种普遍性的规律。实验结束后，因为试管内温度依然很高，未反应完的Fe2O3在高温时呈黑色，因此，不能凭借反应物颜色的变化来判断反应是否进行。

（2）Fe3O4

四氧化三铁的常见化学式是Fe3O4，但实际上通过x-射线研究证明，Fe3O4是二价铁和三价铁混合氧化态的化合物或三价的铁酸盐，即实际的结构式应该写为Fe3+[Fe2+Fe3+]O4。它是一种离子晶体，其晶体中存在的是Fe2+、Fe3+和O2-离子。在它的晶体结构中，每个晶胞中有8个Fe2+、16个Fe3+和32个O2-，相当于8个Fe3O4

分子。其晶体由O2-的立方最紧密堆积所构成，Fe3+的一半嵌入堆积排列中四面体的中心位置，而全部的Fe2+和另一半Fe3+则分布在每个八面体的中心位置， Fe2+和Fe3+平均各占一半，因此其结构式应写为Fe3+[Fe2+Fe3+]O4。由于晶体中含有交替排列着的Fe2+和Fe3+，电子很容易因电场影响从Fe2+转移到Fe3+，因而四氧化三铁具有较高的导电性。

工业上大量的Fe3O4都是用H2还原Fe2O3获得的。这是由于Fe2O3有较强的氧化性，可以在较低温度（400℃）下用H2还原Fe2O3即可获得高纯度的Fe3O4。

Fe3O4和Fe都是黑色粉末，都可以被磁铁吸引。因此，在做一氧化碳还原氧化铁实验时不能仅凭借产物能被磁铁吸引就判断产物一定是Fe。另外，两者还有一个共同点是能在空气中燃烧，只是燃烧产物不同，铁粉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，这一共同点可以用来鉴别这两种粉末。

3. 一氧化碳的毒性与解毒

一氧化碳无色无味，有剧毒。一氧化碳被吸进肺里，能跟血液里的血红蛋白结合成稳定的碳氧血红蛋白，随血流遍布全身。一氧化碳与血红蛋白的结合力要比氧与血红蛋白的结合力大200~300倍，而碳氧红蛋白的解离却比氧合血红蛋白缓慢3600倍。因此，一氧化碳一经吸入，即与氧争夺血红蛋白。同时，由于碳氧血红蛋白的存在，妨碍氧合血红蛋白的正常离解，使血液的携氧功能发生障碍，造成机体急性缺氧。在一氧化碳浓度较高时，还可与细胞色素氧化酶中的铁结合，抑制组织细胞的呼吸过程，阻碍其对氧的利用。由于中枢神经系统对缺氧最敏感，中毒时先觉疲倦乏力，出现组织低氧症。如果血液中50%的血红蛋白与一氧化碳结合，即可引起心肌坏死。继而发生一系列的全身症状。

一氧化碳的中毒程度，主要与空气中一氧化碳的浓度及接触时间有关。但浓度为0.02%（体积分数）时，2~3h可出现症状；浓度为0.08%时，2h可昏迷；如浓度再高，到10min即可致死。

轻微中毒者，应吸收大量新鲜空气或进行人工呼吸。医疗上常用静脉注射亚甲基蓝进行解毒，这是因为一氧化碳与亚甲基蓝结合比碳氧血红蛋白更牢固，从而有利于一氧化碳转向亚甲基蓝而释出血红蛋白，恢复正常呼吸作用。

4. 一氧化碳的还原性

CO在空气或氧气中燃烧，生成CO2并放出大量的热。 CO2CO+O2ΔfHθ= -284kJ·mol-1

所以CO和水煤气都是很好的气体燃料。木炭或煤燃烧时的蓝色火焰即CO的火焰。这性质也使CO成为冶金方面的还原剂。它在高温下可以从许多金属氧化物如Fe2O3、CuO或PbO中夺取氧，使金属还原。冶金工业中用焦炭作还原剂，实

际上起重要作用的是CO。

为消除汽车排出废气中的CO和碳氢化合物对空气的污染，现在有些汽车在排气口装有催化转化装置，用Al2O3纤维织物作载体，Pt或Pd的化合物为催化剂，此催化剂吸附O2，使CO等转化为无毒的CO2。

CO还能使一些化合物中的金属离子还原，如：

CO+PdCl2+H2O = CO2+Pd↓+2HCl

CO+Ag(NH3)2OH = 2Ag↓+(NH4)2CO3+2NH3

这些反应都可以用于检测微量CO的存在。