鐵粉與水蒸氣反應(yīng)的實驗設(shè)計與改進

張艷紅 匡傳榮

（廣東省深圳市光明新區(qū)高級中學(xué) 廣東 深圳 518106）

一、問題提出背景

人教版高中《化學(xué)1》第三章第一節(jié)“金屬的性質(zhì)”中“鐵與水蒸氣反應(yīng)”的實驗［1］，實驗裝置包括水蒸氣發(fā)生裝置、鐵粉與水蒸氣反應(yīng)裝置、氫氣檢驗裝置三個部分。筆者按照教材的實驗裝置經(jīng)過反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)原實驗棉花碳化現(xiàn)象嚴(yán)重、產(chǎn)生的氫氣量少，實驗現(xiàn)象非常不明顯，實驗成功率很低。分析原因發(fā)現(xiàn)該實驗是固體鐵粉與氣態(tài)水蒸氣的氣固異相反應(yīng)，該反應(yīng)難度較大；其次水蒸氣遇冷極易液化難以參加反應(yīng)。具體來說就是濕棉花提供的水蒸氣還未與鐵粉反應(yīng)就已擴散，遇冷的試管壁液化。所以保證足量的水蒸氣與鐵粉充分接觸是本實驗成敗的決定因素。目前針對該實驗的改進方案頗多，主要集中在水蒸氣的發(fā)生，改進思路包括兩方面。一是實驗藥品的選用，如將自來水改為吸水的紅磚粉末［2］、濕沙子［3］、粉筆碎屑或粉末、泡沫塑料、Mg（OH）2、Ca（OH）2［4］、膽礬［5］等。上述改進方法通過改變水的載體，達到了預(yù)期的實驗?zāi)康摹５趯嶋H教學(xué)過程中教師需要對新引入的載體如紅磚、沙子、粉末等具體的成分，在反應(yīng)過程中各物質(zhì)的變化，分解溫度等問題進行必要的解釋和討論，從而加重了學(xué)生的學(xué)習(xí)負擔(dān)，也沖淡了本實驗的實驗?zāi)康摹６撬魵獍l(fā)生裝置儀器的改進。如將濕棉花改為用試管裝水［6］、注射器、銅槽、二頭酒精燈［7］等。試管裝水提供水蒸氣雖然增加了水蒸氣的量，但同時水蒸氣冷凝的面積也增加，水蒸氣產(chǎn)生的效率實質(zhì)并沒有增加。用注射器提供水源理論可行，但實際操作時由于注射器推動阻力大， 使注射器內(nèi)的水較難推入到試管中。將鐵粉平鋪在銅槽上，避免鐵粉與玻璃管直接接觸，防止玻璃管炸裂，但是隔熱加熱鐵粉到反應(yīng)溫度需要較高溫度，加熱時間長，對酒精燈要求高，增加了實驗裝置的復(fù)雜性。

二、本文改進思路和優(yōu)點

筆者針對上述2 類改進實驗方法中的存在的弊端，設(shè)想從水蒸氣發(fā)生裝置、反應(yīng)裝置上完善實驗的改進，具體改進思路和優(yōu)點分述如下：

（1） 水蒸氣發(fā)生裝置采用膠頭滴管作為水源。在教材原實驗采用濕棉花的基礎(chǔ)上增加膠頭滴管，同時采用普通的酒精燈而非酒精噴燈就能獲得非常明顯的實驗現(xiàn)象。其次，反應(yīng)的持續(xù)性和可控性好。采用的膠頭滴管不僅能夠保證有足量的水產(chǎn)生水蒸氣，與高溫鐵粉接觸，產(chǎn)生較多氫氣，實驗現(xiàn)象明顯，而且也能通過控制膠頭滴管滴加的水量來控制反應(yīng)進度，使實驗更具持續(xù)性與可控性；最后用膠頭滴管不斷補充水源，避免了干棉花加熱焦化，污染環(huán)境。

（2） 采用硬質(zhì)中通玻璃管反應(yīng)裝置，實驗儀器選用回歸常規(guī)化，貼近高中實驗室條件的現(xiàn)實。

（3） 采用脫脂棉作為載體，實驗安全性強。濕棉花一方面作為水源提供水蒸氣， 另一方面又吸水，吸收水蒸氣在試管左端冷凝形成的水珠，從而避免了水與試管的高溫部分直接接觸而造成的試管炸裂。

（4）實驗藥品選用普通的自來水， 直觀有力地證明了鐵與水蒸氣的反應(yīng)本質(zhì)， 避免了學(xué)生理解其他物質(zhì)提供水源時產(chǎn)生的較多的認知負荷，適用于課堂演示實驗。

（5） 實驗現(xiàn)象明顯，成功率高。實驗不僅能夠產(chǎn)生連環(huán)泡珠似的大量氣泡， 點燃發(fā)出尖銳的爆鳴聲，而且將尖嘴尖端的氣泡引向空中時能在空中點燃，從視覺和聽覺兩個方面增加實驗的趣味性。用改進后的實驗裝置做實驗成功率很高，避免了課堂演示實驗失敗的尷尬局面。

三、實驗改進方案

［實驗名稱］鐵粉與水蒸氣反應(yīng)的實驗設(shè)計與改進

［實驗?zāi)康模萃ㄟ^鐵粉能與水蒸氣反應(yīng)的實驗認識到鐵單質(zhì)是一種活潑的金屬，學(xué)會通過實驗現(xiàn)象培養(yǎng)學(xué)生分析推理的邏輯思維能力。

［實驗儀器與試劑］

硬質(zhì)中通玻璃管、酒精燈、膠頭滴管、蒸發(fā)皿、脫脂棉、橡膠塞、尖嘴管、橡膠管、竹簽，還原鐵粉、自來水、肥皂液。

［實驗原理］

［實驗裝置圖］

［實驗操作］

（1）按實驗裝置圖組裝實驗儀器，檢查裝置氣密性。

（2） 向硬質(zhì)玻璃管中添加3－4 藥匙還原鐵粉，并用紙槽送入硬質(zhì)中通試管，使其平鋪于試管；靠近鐵粉左端加一團已吸附較多水的脫脂棉（保證脫脂棉覆蓋在還原鐵粉上約1cm）， 將膠頭滴管吸滿自來水置于脫脂棉與鐵粉相交處。

（3） 向蒸發(fā)皿倒入適量已準(zhǔn)備好的肥皂液備用。

（4）先用酒精燈預(yù)熱硬質(zhì)中通試管， 然后加熱靠近脫脂棉但未與脫脂棉相交的鐵粉處，持續(xù)加熱1－2 min。加熱過程中緩慢擠壓膠頭滴管， 補充加熱揮發(fā)的水分，保證脫脂棉水分適中。

（5） 將玻璃尖嘴口插入蒸發(fā)皿的肥皂液。當(dāng)液面聚集較多氣泡時，移開玻璃尖嘴口，用燃著的竹簽靠近氣泡，當(dāng)聽到“噗”的一聲，證明產(chǎn)生的氣體是氫氣。

（6） 實驗結(jié)束， 先從肥皂液中撤出玻璃尖嘴，再移去酒精燈并熄滅酒精燈。

［實驗注意事項］

（1） 加熱一段時間后再將玻璃尖嘴插入肥皂液中，過早插入吹起的是空氣泡，也防止在開始加熱鐵粉時發(fā)生倒吸。

（2） 肥皂液不宜太稀， 否則吹起的氫氣泡太小，點燃時難以有較大的響聲。

（3） 實驗結(jié)束時應(yīng)先從肥皂液中撤出導(dǎo)管，再移去燃著的酒精燈。

［1］宋心琦主編．普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)1［M］．北京：人民教育出版社，2007： 2

［2］曹義科．鐵與水蒸氣反應(yīng)實驗的創(chuàng)新改進［J］．教學(xué)儀器與實驗，2014，（10）：43

［3］賴陸鋒．李春燕．鐵與水蒸氣反應(yīng)的實驗改進［J］］．化學(xué)教育，2008，（3）：63

［4］黃菊．劉勝茂．鐵與水蒸氣反應(yīng)的研究［J］］．中學(xué)教學(xué)參考，2007，（92）：128

［5］成志高．鐵與水蒸氣反應(yīng)實驗的新設(shè)計［J］］．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2014，（1）：48

［6］陳新智．鐵跟水反應(yīng)的實驗探究 ［J］］．化學(xué)教學(xué)，2004，（12）：15

［7］劉英杰．鐵粉與水蒸氣實驗改進新法 ［J］］．化學(xué)教學(xué)，2010，（11）：12