鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件的探究

郭 琦 王賢明

（1江蘇教育學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院 江蘇 南京 210013；2南京龍文信息咨詢有限公司 江蘇 南京 210013）

人教版必修Ⅰ中采用濕棉花作為水蒸氣源，用酒精燈加熱還原鐵粉的反應(yīng)，并通過氫氣肥皂泡檢驗(yàn)氫氣的產(chǎn)生［1］。在中學(xué)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1）雖然操作簡單，但是實(shí)驗(yàn)成功率很低，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很難達(dá)到如課本彩圖中效果，本文在其他文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)條件及產(chǎn)物的檢驗(yàn)進(jìn)行了探究，同樣實(shí)驗(yàn)裝置下操作簡單，現(xiàn)象更加明顯。

圖1

一、存在的問題

1．水蒸氣的產(chǎn)生

教科書上用濕棉花中水的蒸發(fā)來產(chǎn)生水蒸氣再與鐵粉反應(yīng)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用濕棉花產(chǎn)生水蒸氣存在以下缺點(diǎn)：

（1）濕棉花的水分易揮發(fā)。鐵與水蒸氣反應(yīng)的溫度為 1173K［2］，而水的沸點(diǎn)為 373K［2］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)溫度，因此，當(dāng)鐵粉處溫度達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，濕棉花中的水分早已揮發(fā)沒有了，導(dǎo)致水蒸氣量不足，產(chǎn)生的氫氣量極少，現(xiàn)象不明顯。

（2）在加熱過程中，濕棉花中的水會(huì)成滴流向試管中間加熱部位，由于試管中部溫度較高，很易導(dǎo)致試管炸裂，實(shí)驗(yàn)不安全。

2．產(chǎn)物的檢驗(yàn)

教材中用點(diǎn)燃?xì)錃馀莸姆绞絹頇z驗(yàn)產(chǎn)物是否為氫氣，在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)，由于產(chǎn)生的氫氣量少，氣泡很難被點(diǎn)燃，實(shí)驗(yàn)過程中也鮮有淡藍(lán)色的火焰，無法檢驗(yàn)產(chǎn)生的是氫氣。

由于濕棉花中的水分揮發(fā)較快，在文獻(xiàn)中，有用給裝有水的燒瓶或大試管加熱［3］，以提供持續(xù)穩(wěn)定的水蒸氣流，作為水蒸氣的發(fā)生裝置，但是由于產(chǎn)生的水蒸氣過多水蒸氣流較大，易導(dǎo)致試管炸裂，且導(dǎo)致產(chǎn)生的氫氣濃度下降，現(xiàn)象也不明顯。

對此實(shí)驗(yàn)很多教師都給予了關(guān)注，大多都是對水蒸氣的產(chǎn)生進(jìn)行了改進(jìn)，采用固－固加熱的實(shí)驗(yàn)裝置，即用一種在加熱條件下能產(chǎn)生或提供持續(xù)水蒸氣流的固體與鐵粉混合，在加熱條件下反應(yīng)，由固體受熱提供水蒸氣再與鐵粉反應(yīng)效果較好。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。文獻(xiàn)主要選取了以下幾種固體：濕沙子［4］，濕粉筆頭［5］，硫酸銅晶體［6］， 氫氧化鈣固體［6］經(jīng)過查閱文獻(xiàn)及實(shí)際操作驗(yàn)證：選用氫氧化鈣和鐵粉混合加熱時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，安全性高，效果最好。

圖2

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1．對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物檢驗(yàn)的改進(jìn)

教材中用點(diǎn)燃?xì)錃馀莸姆绞絹砼袛嗍欠癞a(chǎn)生了氫氣，在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)，由于氣體量少，氣泡很難被點(diǎn)燃，也看不見淡藍(lán)色火焰［7］。針對這個(gè)問題，我們選擇用小試管（10×75mm，或離心管），用排水法收集氣體，收集滿氣體之后，將試管倒扣在水槽中一段時(shí)間，讓氣體中水蒸氣充分冷凝，以提高氫氣的純度。通過驗(yàn)純的方式（即是否有爆鳴聲）來判斷是否產(chǎn)生了氫氣。（如圖2裝置）

2．對藥品用量和加熱條件進(jìn)行了探索

在實(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)藥品的比例不同，反應(yīng)的快慢、產(chǎn)生氣體的速度以及氣體的量都不一樣。同時(shí)，由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)各個(gè)學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件不同，可以選擇不同的加熱條件，以達(dá)到最佳效果。另外，我們又做了系列對比實(shí)驗(yàn)，探究加熱裝置、反應(yīng)物比例對實(shí)驗(yàn)的影響。

氫氧化鈣和鐵粉質(zhì)量比不同、加熱條件不同時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對比如表中數(shù)據(jù)：

表 氫氧化鈣與鐵粉比例不同時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

對比表中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知：選擇用酒精燈加熱，當(dāng)氫氧化鈣與鐵粉的質(zhì)量比為 1．0∶1．0 時(shí) （質(zhì)量各為 1．0g）時(shí)效果最佳。預(yù)熱時(shí)，導(dǎo)管口有氣泡冒出，待受熱均勻后，用外焰集中給藥品部分加熱，大約一分鐘左右，大試管中間部分出現(xiàn)水珠，約一分半鐘，導(dǎo)管口開始有氣泡產(chǎn)生，用事先裝滿水的小試管去收集產(chǎn)生的氣體，前后共收集了兩小試管，收集滿氣體后，將試管倒扣在水槽中一段時(shí)間（讓氣體中的水蒸氣充分冷凝，變成水以提高氫氣的純度）再用大拇指堵住試管口將試管移至火焰上方驗(yàn)純，第一支試管出現(xiàn)爆鳴聲（收集過早，氫氣濃度太低），第二只試管中氣體爆鳴聲明顯，而且出現(xiàn)了火焰的沖擊，將酒精燈焰震動(dòng)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)用時(shí)10分鐘左右。

用煤氣燈加熱時(shí)，選擇氫氧化鈣與鐵粉的質(zhì)量比為1．5∶0．5、1．0∶0．5 或 1．0∶1．0 均可。 加熱約 20s 左右試管中出現(xiàn)水珠，50s左右便有氣體從導(dǎo)管口處均勻產(chǎn)生，氣體產(chǎn)生的速度較快，產(chǎn)生氣體的量也較多，收集兩試管氣體后停止反應(yīng)，將試管倒扣在水槽中一段時(shí)間后驗(yàn)純，第一支試管無爆鳴聲（幾乎為水蒸氣），第二只試管爆鳴聲明顯。整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為8min左右，速度較快。

三、結(jié)論

1．鐵粉與水蒸氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵是要有持續(xù)高溫的水蒸氣流，本實(shí)驗(yàn)的最大特點(diǎn)就是用加熱氫氧化鈣分解產(chǎn)生水蒸氣來替代濕棉花提供水蒸氣，由于氫氧化鈣的分解溫度比較高，為580℃［7］，比較接近該反應(yīng)溫度，故能提供高溫水蒸氣使該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯。

2．用小試管收集氣體（排水法）收集滿以后，要將試管倒扣在水槽中一段時(shí)間，讓氣體中水蒸氣充分冷凝，以提高氫氣的純度，檢驗(yàn)時(shí)效果明顯。

3．實(shí)驗(yàn)裝置簡單，各個(gè)學(xué)校可以根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件，選擇不同的加熱條件。反應(yīng)速度較快，產(chǎn)生氣體的量較多，實(shí)驗(yàn)成功率很高，安全性好，適合中學(xué)生操作。

［1］ 宋心琦等．普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書化學(xué)1［M］．北京：人民教育出版社， 2007．3： 50－51

［2］ 馬世昌．基礎(chǔ)無機(jī)化學(xué)反應(yīng)［M］．西安：陜西人民教育出版社，1995：1005

［3］ 英華，陳德培 ．鐵與水蒸氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)［J］．Educational Equipment And Experiment， 2005，（4）： 18－20

［4］ 賴陸峰，李春燕．鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)［J］．化學(xué)教育，2008，（3）：63－64

［5］ 鄧湘．關(guān)于鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的探索［J］．中學(xué)生數(shù)理化（教與學(xué)·教研版），2009，（5）：93－94

［6］ 李芬．鐵與水蒸氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)［J］．實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2008，（7－8）：42－44

［7］ 方雙喜．鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)［J］．實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新思維，2010，（6）：11－12