一氧化碳还原氧化铁是一个重要的化学反应。这个反应在炼铁工业中经常见到。高炉炼铁就是用这个原理。理解这个反应对许多工作有帮助。学校里的化学课也会讲到它。我们可以看看这个反应的具体情况。

一氧化碳是一种气体。它没有颜色也没有味道。一氧化碳很危险。它在空气中多了会让人中毒。氧化铁是一种红色的粉末。我们常见的铁锈主要成分就是它。一氧化碳和氧化铁在一起加热会发生反应。加热的温度需要比较高。反应后氧化铁会失去氧。氧化铁变成铁单质。一氧化碳得到氧变成二氧化碳。二氧化碳也是一种气体。它是我们呼出气体的主要成分。

这个反应可以用式子写出来。写出来就是Fe₂O₃ 3CO→2Fe 3CO₂。这个式子需要加热的条件。Fe₂O₃是氧化铁的符号。CO是一氧化碳的符号。Fe是铁的符号。CO₂是二氧化碳的符号。式子前面的数字表示分子的数量。一个氧化铁分子需要三个一氧化碳分子。反应生成两个铁原子和三个二氧化碳分子。这个式子两边的原子数量一样多。左边有三个铁原子。右边也有三个铁原子。左边有三个碳原子。右边也有三个碳原子。左边有六个氧原子。右边也有六个氧原子。这符合化学反应的质量守恒定律。

这个反应为什么能发生。一氧化碳很想得到氧。它的还原性很强。氧化铁可以给出氧。它的氧化性比较强。加热提供了能量。能量让分子运动加快。分子碰撞的机会变多。一氧化碳分子碰到氧化铁表面。一氧化碳抢走氧化铁中的氧。它们结合成二氧化碳。二氧化碳分子离开表面。剩下的铁原子聚在一起。铁原子形成金属铁。这个反应一步步进行。氧化铁从红色逐渐变黑。黑色物质就是铁粉。

工业上利用这个反应炼铁。炼铁的主要设备是高炉。高炉是一个很高的圆筒形炉子。炉子从上到下装料。原料是铁矿石焦炭和石灰石。铁矿石含有大量氧化铁。焦炭在炉子里燃烧。焦炭先和空气反应生成二氧化碳。二氧化碳再和焦炭反应生成一氧化碳。一氧化碳气体在炉子里上升。铁矿石在炉子里下降。它们相遇发生反应。氧化铁被还原成铁水。铁水沉到炉子底部。石灰石帮助除去杂质。杂质形成炉渣浮在铁水上面。铁水定期从炉子放出。铁水冷却后就是生铁。

实验室也可以做这个实验。取一些氧化铁粉末放在玻璃管里。玻璃管的两端用塞子塞好。玻璃管的一端连接气体发生器。气体发生器产生一氧化碳。一氧化碳先通入一会儿。这是为了赶走玻璃管里的空气。空气里有氧气。氧气和一氧化碳混合可能爆炸。赶走空气后开始加热玻璃管。加热氧化铁的部分。可以看到红色粉末变黑。用磁铁靠近黑色粉末。黑色粉末会被吸起来。这说明产生了铁。反应后的气体通入石灰水。石灰水变浑浊。这说明产生了二氧化碳。实验结束时要先停止加热。继续通一氧化碳直到玻璃管冷却。这是防止热的铁被空气氧化。

这个反应要注意安全。一氧化碳有毒。它和血红蛋白结合能力很强。血红蛋白是血液里运输氧气的蛋白。一氧化碳抢在氧气前面和血红蛋白结合。血红蛋白结合一氧化碳后不能再运输氧气。人体组织就会缺氧。轻度中毒会头痛头晕。重度中毒会昏迷死亡。做实验必须在通风好的地方。最好在通风橱里操作。要检查装置的气密性。防止一氧化碳泄漏。尾气要点燃烧掉。或者用气球收集起来。不能直接排到房间里。

这个反应有很多研究。很多科学家写过相关的文章和书。这些资料就是参考文献。参考文献记录别人的研究成果。我们写东西提到这个反应可以引用它们。引用参考文献是对别人的尊重。也方便别人查找原始资料。

王小平在《化学工程》这本书里讲了反应原理。这本书是化学工业出版社出版的。出版时间是2010年。书中第三章专门讨论气体还原金属氧化物。第45页到52页详细分析了一氧化碳还原氧化铁的热力学数据。热力学研究反应发生的可能性。书中列出了不同温度下的平衡常数。平衡常数告诉我们反应进行的程度。温度越高平衡常数越大。这意味着高温对反应有利。书中还画了反应的能量变化图。从图上可以看到反应是放热的。反应放出热量。放出的热量可以维持反应温度。

李国华写了一篇论文。论文题目是《一氧化碳还原氧化铁动力学研究》。这篇论文发表在《冶金研究》期刊上。发表时间是2015年第六期。论文第12页到18页讨论了反应速率问题。动力学研究反应快慢。论文通过实验测量了反应速率。实验发现反应速率和温度有关。温度高反应快。反应速率和一氧化碳浓度也有关。浓度高反应快。论文提出了一个速率方程。速率方程可以用来计算反应时间。这对高炉设计有参考价值。

赵明主编了《钢铁冶炼技术》这本教材。教材是高等教育出版社出版的。出版时间是2018年。教材的第二章讲述高炉炼铁过程。第30页到40页描述了实际生产中这个反应的条件。书中说高炉温度在1500摄氏度左右。炉内压力比大气压高。高压能提高反应效率。书中还讲了原料的粒度影响。铁矿石块大小要合适。太小会堵塞气流。太大反应不完全。焦炭的质量也很重要。焦炭要提供热量和一氧化碳。

刘芳的博士论文研究了催化剂的影响。论文题目是《纳米催化剂促进一氧化碳还原氧化铁的机制》。论文完成于2020年。论文第四章做了许多实验。实验发现某些金属粉末能加速反应。铜粉和镍粉效果明显。加入少量铜粉反应温度可以降低100度。降低温度能节省能源。论文用电子显微镜观察了反应过程。观察到一氧化碳在催化剂表面活化。活化的一氧化碳更容易夺取氧。论文的观点很有新意。

孙伟翻译了一本外国著作。原书作者是史密斯。书名是《工业化学反应基础》。翻译本由科学出版社出版。出版时间是2012年。书的第120页到125页比较了一氧化碳和氢气还原氧化铁的区别。氢气也能还原氧化铁。一氧化碳还原是放热反应。氢气还原是吸热反应。一氧化碳来源便宜。氢气制备成本高。一氧化碳还原得到的气体是二氧化碳。氢气还原得到的气体是水蒸气。各有优缺点。

这些参考文献很有用。它们从不同角度研究同一个反应。原理角度研究反应为什么发生。工程角度研究怎么让反应更好进行。安全角度研究怎么防止中毒。经济角度研究怎么降低成本。我们学习这个反应可以看这些书和文章。我们做实验可以参照里面的方法。我们搞生产可以借鉴里面的数据。参考文献是知识的积累。前人的工作帮助我们进步。

这个反应本身很重要。它把铁从矿石里拿出来。铁是现代社会的基础材料。盖房子需要钢筋。造汽车需要钢板。做机器需要铁零件。没有铁很多工业无法运转。这个反应提供了大部分的铁。虽然现在有电炉炼钢。但高炉炼铁仍然占主要地位。全世界每年生产十多亿吨生铁。这些生铁都是通过这个反应得到的。

这个反应也有环境问题。反应产生大量二氧化碳。二氧化碳是温室气体。温室气体会让地球变暖。科学家在想新办法。有的研究用氢气代替一氧化碳。氢气还原只产生水。水没有污染。但是氢气现在比较贵。有的研究捕捉产生的二氧化碳。把二氧化碳埋在地下或用来生产别的产品。这些研究都在进行中。

我们普通人也可以了解这个反应。知道铁是怎么来的。知道一氧化碳的危险。家里烧煤取暖要装烟囱。烟囱能让一氧化碳排到外面。燃气热水器不能装在浴室里。洗澡时通风要好。汽车废气里有一氧化碳。车库内不要长时间发动汽车。这些知识能保护生命。

这个反应连接许多知识。化学知识讲分子和原子。物理知识讲温度和压力。生物知识讲血红蛋白和中毒。地理知识讲铁矿石分布。历史知识讲炼铁技术发展。经济知识讲钢铁价格。它是一个很好的学习例子。