鐵釘銹蝕條件的探究實驗改進＊

朱紅杰 秦光獻

?

鐵釘銹蝕條件的探究實驗改進＊

朱紅杰 秦光獻

摘要：現行各種版本的九年級化學教科書上的鐵釘銹蝕條件實驗，需要的時間長，實驗現象不夠明顯，不利于課堂實驗教學。通過加大鐵釘用量，更換實驗儀器，利用控制變量法重新設計了該實驗；改進后的實驗現象明顯，加快了實驗進程，方便了課堂教學，提高了實驗教學的連續性和有效性。

關鍵詞：鐵釘銹蝕；實驗改進；現象明顯；縮短時間

現行各種版本的《義務教育教科書?化學》中都安排了鋼鐵銹蝕條件實驗，旨在引導學生探究鋼鐵銹蝕的條件，體驗知識形成的過程，學習控制變量的科學方法。課本實驗中僅使用一根鐵釘，與空氣、水的接觸面很小，因而鋼鐵銹蝕所需的時間很長（約需7～10天），這極不方便學生觀察實驗現象，也使實驗教學不夠連貫。筆者在教學中對該實驗進行了成功的改進，并取得顯著的教學效果。

一、改進方案一

1.實驗用品

250 mL的集氣瓶，大燒杯，導氣管和乳膠管等。紅色的水（在自來水中滴入幾滴紅墨水即可），蒸餾水，食鹽水，干燥劑，潔凈光亮的釘鞋釘等。

2.實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖1所示。

圖1

3.實驗操作

（1）在3個集氣瓶中分別裝入大約350 g的潔凈鐵釘，后在甲集氣瓶里放入適量的干燥劑（裝在無紡布袋里），在乙集氣瓶里注入適量的蒸餾水（使鐵釘充分濕潤），在丙集氣瓶里注入適量的食鹽水（使鐵釘充分濕潤）；在大燒杯里倒入約200 mL紅色的水。

（2）分別用帶有導氣管的單孔橡皮塞塞緊3個集氣瓶口，并把導氣管的另一端同時放入盛有紅色水的燒杯中（如圖1所示）。

（3）2～3分鐘后即可觀察到，燒杯中的紅色水緩慢的流入乙集氣瓶中、較快的流入丙集氣瓶中，而甲集氣瓶中則沒有水流入。

（4）5～6分鐘后，手摸乙、丙集氣瓶的外壁，感覺發熱，而且丙集氣瓶更熱一些；較長時間后，甲集氣瓶里仍然沒有明顯的實驗現象。

（5）實驗結束，拆開實驗裝置，立即用無孔橡皮塞將甲集氣瓶密封；倒出乙集氣瓶中的廢水后，也立即將集氣瓶密封；倒出丙集氣瓶中殘留的鹽水后，用清水沖洗鐵釘幾次，再密封集氣瓶（這樣清理后，該實驗裝置可以連續使用）。

4.實驗現象分析

（1）甲集氣瓶里缺少水，鐵釘沒有生銹；乙集氣瓶里潮濕的鐵釘生銹了，并且集氣瓶內出現負壓；學生根據已經學習的“氮氣的穩定性”知識，并結合上述實驗現象可知，鐵生銹需要有水參與，而且需要消耗氧氣。

（2）對比乙、丙兩個集氣瓶內的實驗現象，可以說明鹽的存在會加快鋼鐵銹蝕的速率。

5.改進實驗的優點

（1）實驗現象明顯，特別適合課堂演示；實驗進程快，使實驗一氣呵成。

（2）實驗裝置和實驗用品可以反復使用多次，方便多個班級的連續授課，提高了實驗教學的效率。

二、改進方案二

1.實驗用品

60 mL的注射器，18×150 mm的U形管（容積約75 mL），單孔橡皮塞，無孔橡皮塞，脫脂棉等。氧氣，潔凈光亮的鋼絲棉，干燥劑，食鹽水，蒸餾水等。

2.實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖2所示（夾持裝置略）。

圖2

3.實驗操作

（1）在U形管最下部，放置適量的用鹽水浸濕的鋼絲棉；再向U形管的左、右兩管內分別放置適量的脫脂棉和干燥劑；在U形管的左、右兩管內分別放置適量潮濕的鋼絲棉和干燥的鋼絲棉。

（2）用60 mL注射器抽取60 mL氧氣，然后按圖2所示連好實驗裝置（此時無孔橡皮塞不要封閉U形管口）。

（3）推動注射器活塞，緩緩向U形管里鼓入50 mL氧氣，此時U形管里空氣基本上被排完（因為U形管容積約75 mL，除去“內容物”所占的體積，實際容積大約是50 mL），然后用無孔橡皮塞封閉U形管的右管口。（注意：實驗中注射器活塞要處于自由移動狀態，這樣注射器里的氧氣就能自動進入U形管，U形管里就能一直充滿氧氣。）

（4）不到2分鐘，可以發現鹽水浸濕的鋼絲棉表面出現明顯的紅褐色銹斑；不到5分鐘，可以發現潮濕的鋼絲棉表面出現少許紅褐色銹斑。再過2～3分鐘，手摸U形管的底部，感覺很熱；手摸U形管的左管，感覺微熱。而干燥的鋼絲棉表面一直沒有明顯的變化。

（5）觀察注射器活塞的位置，可以發現注射器內的氧氣在不斷減少，直至完全耗盡。

4.實驗現象分析

（1）對比潮濕的鋼絲棉和干燥的鋼絲棉表面出現的現象，以及氧氣的消耗可知，鋼鐵銹蝕需要氧氣和水。

（2）對比潮濕的鋼絲棉和鹽水浸濕的鋼絲棉表面出現的現象可知，鹽能加快鋼鐵銹蝕的速率。

（3）實驗過程中U形管發熱，說明鋼鐵銹蝕放出了熱量。

5.改進實驗的優點

（1）實驗現象直觀，對比性強，既適合教師課堂上演示，也可以作為學生實驗使用。

（2）實驗中鋼鐵銹蝕放熱明顯，這又為今后說明暖寶寶的化學原理打下了基礎。

三、改進方案三

1.實驗用品

50 mL的注射器（確保活塞潤滑性良好），鐵架臺，小橡皮塞等。潔凈光亮的鋼絲棉（或還原鐵粉），蒸餾水，食鹽水，干燥劑等。

2.實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖3所示（夾持裝置略）。如果本實驗裝置留做演示使用，可以提前一天放在教室內。

圖3

3.實驗操作

（1）取3個50 mL的注射器，確保其活塞的潤滑性良好；抽掉注射器活塞，分別將一團鋼絲棉（體積約為5 mL）塞入針筒中部。（注意：若采用還原鐵粉進行實驗，須將鐵粉均勻撒布在注射器內壁上。）

（2）在甲注射器內放入少許干燥劑，隨后移動活塞，使其處于45 mL刻度處（說明此時針管內的空氣約為40 mL，下同），再將針頭扎入小橡皮塞內以封閉注射器。最后，將注射器頂端向上固定到鐵架臺上。

（3）用乙注射器抽取適量的蒸餾水，使鋼絲棉充分潮濕，再排出多余的蒸餾水；隨后移動活塞，使其處于45 mL刻度處，再將針頭扎入小橡皮塞內以封閉注射器。最后，將注射器頂端向上固定到鐵架臺上。

（4）用丙注射器抽取適量的食鹽水，使鋼絲棉充分潮濕，再排出多余的食鹽水；隨后移動活塞，使其處于45mL刻度處，再將針頭扎入小橡皮塞內以封閉注射器。最后，將注射器頂端向上固定到鐵架臺上。

（5）大約4～5分鐘后，發現丙注射器內的鋼絲棉明顯生銹，并且注射器活塞向上移動少許；乙注射器內的鋼絲棉表面，出現少許紅褐色銹斑；甲注射器內的鋼絲棉，沒有明顯的變化。20分鐘后再觀察，發現丙注射器內的鋼絲棉銹蝕嚴重，乙注射器內的鋼絲棉表面銹斑增多，甲注射器內的鋼絲棉仍然沒有生銹。1小時后觀察，發現丙注射器的活塞大約處于37 mL刻度處；5小時后觀察，發現乙注射器的活塞也處于37 mL刻度處。而甲注射器內的鋼絲棉，一直沒有生銹。

4.實驗現象分析

（1）甲注射器內的鋼絲棉處于干燥狀態，沒有生銹，說明鋼鐵銹蝕需要水的參與。

（2）乙、丙注射器的活塞位置最終從45 mL變為37 mL，說明針筒里的氣體減少了8 mL；進而可知，減少的這種氣體在空氣中的體積分數約是8/40，即1/5；由于空氣中正好含有1/5的氧氣，從而說明鋼鐵銹蝕還需要氧氣。

（3）對比乙、丙注射器內鋼絲棉銹蝕的速率可知，鹽的存在能加快鋼鐵的銹蝕。

5.改進實驗的優點

（1）實驗裝置簡單，實驗用品易得，特別適合學生自主開展實驗探究活動。

（2）引入了定量思想，培養了學生的定量思維，增強了學生利用數學手段解決化學問題的能力。

（3）巧妙利用空氣的組成，推出鋼鐵銹蝕需要氧氣，這也為今后“利用鋼鐵銹蝕原理測量空氣中氧氣的體積含量”打下基礎。

參考文獻

［1］ 丁玲杰，李德前.對初中化學評優課的評價與思考:以徐州市初中化學評優課為例［J］.化學教與學，2015（11）:39-41.

［2］ 江軍.利用數字化實驗系統探究鐵的吸氧腐蝕實驗［J］.化學教育，2014（7）:55-58.

［3］ 李德前.鐵生銹實驗的改進［J］.中學化學，2001（12）:21.

作者信息

朱紅杰，本科，中教一級。江蘇省徐州市火花學校，221151

秦光獻，本科，中教高級。河南省鶴壁市鹿鳴中學，458030

*基金項目：江蘇省中小學教學研究第十期重點課題《研制教具創新機制，全面落實初中化學實驗》（編號：2013JK10-Z016）。