激光筆照射引發鐵與硫反應的實驗設計

王建芬 齊俊林

摘要：鐵與硫反應實驗盡管現象明顯，但其副產物二氧化硫對環境污染嚴重。對鐵與硫反應作了實驗探究。用吸濾瓶和燃燒匙作反應容器，用大功率藍色激光筆照射燃燒匙內火柴頭粉末引發鐵粉與硫粉的混合物發生反應，用氫氧化鈉溶液吸收副產物二氧化硫，以及支管上的氣球自動調節反應器內壓強等，巧妙構建了一個全封閉的實驗體系，將一個污染嚴重的實驗變成了環保型實驗。

關鍵詞：激光筆；鐵與硫反應；實驗探究及改進；污染；環保

文章編號：1005–6629（2016）7–0054–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題提出

鐵與硫反應是鐵或硫的一個重要化學性質，無論是過去、現在還是將來都是高中化學教學中的一個重要知識點。一些老教材曾經給出相應的實驗方法，例如“把少量硫粉和鐵粉的混合物裝在試管里加熱到紅熱，立即把酒精燈移開。反應放出的熱，就能使反應繼續進行，觀察發生的現象”[1]。此種方法的缺陷在于：鐵與硫發生反應時會產生大量的有毒副產物二氧化硫氣體，嚴重污染教學環境，影響師生健康；此外，加熱試管內混合物時，容易造成試管炸裂，致使實驗失敗。又如中師課本[2]的實驗方法是“將鐵與硫的混合物堆放在石棉網的中央，然后將熾熱的玻璃棒插在鐵與硫的混合物的中心，觀察實驗現象（如圖1所示）”。該種方法雖然簡單，但空氣污染更為嚴重。目前編寫的現行高中化學教材[3]，也許為了避免老教材中實驗的不足，干脆不再給予相應的實驗方法，這就給教學帶來了極大的不便和困惑，在教學過程中，教師只能紙上談兵，學生只能死記硬背。為了避免上述問題的發生，近些年來，一些化學教師對該實驗進行了認真研究和設計，但仍有不盡如人意的地方。例如：有的實驗方法[4，5]雖然簡單，但仍然存在污染問題。其中實驗方法1（如圖2所示），將鐵粉和硫粉的混合物裝在一個濾紙筒內，然后將一個下端紅熱的玻璃棒插到濾紙筒內的混合物中，觀察實驗現象，反應產生的副產物二氧化硫直接排放到空氣中，造成室內空氣污染；實驗方法2（如圖3所示），將鐵粉和硫粉的混合物放在鐵片上，用酒精燈加熱鐵片使鐵與硫發生反應，其產生的副產物二氧化硫氣體，也是直接擴散到空氣中，造成教學環境污染，影響師生健康；有的實驗方法[6]較為復雜，不適合演示實驗（如圖4所示），是用調壓變壓器控制電爐絲的電壓，用電爐絲加熱鐵粉與硫粉的混合物。該實驗方法除了復雜以外，還很容易發生觸電危險，存在一定的安全隱患，況且，鐵粉與硫粉反應產生紅熱現象時，容易使兩通玻璃管炸裂，致使實驗失敗。綜上所述，有必要對鐵與硫反應的實驗方法進行研究和設計，以解決實驗過程的污染問題。

2 設計理念

我們在設計鐵與硫反應實驗時，重點突出了以下幾點：一是力求取材容易，裝置簡單，易于制作；二是必須是一個完整的全封閉裝置且可自動調節裝置內的壓強大??；三是無空氣污染且可吸收有害氣體二氧化硫；四是便于課堂演示，易于觀察實驗現象。

3 實驗原理

3.1 鐵與硫的反應

在加熱條件下鐵粉與硫粉的混合物（質量比：7：5）發生反應，生成黑色的硫化亞鐵，其方程式為：Fe+S△= FeS。

3.2 二氧化硫的吸收

在鐵與硫的反應過程中，有一部分硫要與空氣中的氧氣發生反應，生成副產物二氧化硫。二氧化硫是具有較強刺激性氣味的有毒氣體，必須設法消除其對環境的污染。利用氫氧化鈉溶液可吸收二氧化硫，使其生成無毒的亞硫酸鈉和水，其方程式為：SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O。

4 實驗材料

吸濾瓶（500mL）1個，燃燒匙1個，氣球1只，激光筆（2W）1支，6號橡膠塞1個，細線若干，條形磁鐵1根，研缽、研杵各一個

鐵粉，硫粉，火柴，細河沙，10%氫氧化鈉溶液

5 實驗方案

根據設計理念，我們對實驗進行認真設計，具體方法是：如圖5所示（A.氣球 B.氫氧化鈉溶液C.鐵粉與硫粉的混合物 D.氫氧化鈉溶液 E.細河沙 F.火柴頭粉末 G.激光筆 H.燃燒匙 L.藍色激光 M.細線），利用500mL的吸濾瓶作反應容器，燃燒匙內底層裝入細河沙，對燃燒匙起保護作用以防腐蝕，中層裝入鐵粉與硫粉的混合物作為反應物，上層放入火柴頭粉末作為引發劑。利用大功率（2W）藍色激光筆照射燃燒匙內的藥品以點燃火柴頭粉末，進而引起鐵粉與硫粉混合物發生反應，并可保持紅熱狀態。利用吸濾瓶內及支管上氣球內的氫氧化鈉溶液，吸收副產物二氧化硫。支管上的氣球還起到了自動調節容器內壓強的作用，避免發生反應時壓強過大，影響氣密性及儀器爆炸問題，確保整個反應過程均在一個密閉的容器內安全可靠地完成。本實驗的創新點在于將加熱藥品的方式由直接加熱改為激光筆照射引燃，使整個實驗得以在密閉容器內完成，沒有環境污染，保證師生健康。

6 實驗方法及其現象

6.1 在燃燒匙內加入藥品

取1只6號橡膠塞，將燃燒匙的鐵柄從橡膠塞的小頭端穿入，在燃燒匙里先裝入細河沙，然后裝入鐵粉與硫粉的混合物（鐵粉與硫粉質量比為7：5），再在鐵粉與硫粉混合物上方加入約2～3個火柴頭的粉末作為引發劑（如圖6所示）。

6.2 加入吸收劑氫氧化鈉溶液

取1只氣球，在其內部注入10mL 10%的氫氧化鈉溶液，然后將其用細線系在吸濾瓶的支管上，在吸濾瓶內加入50mL 10%的氫氧化鈉溶液（如圖7所示）。

6.3 激光筆照射反應物

將裝有燃燒匙的橡膠塞緊緊塞在吸濾瓶的瓶口，然后打開激光筆的開關，用藍色激光直接照射燃燒匙內的火柴頭粉末（如圖5所示），1～2s后，可觀察到火柴頭粉末被點燃（此時，關閉激光筆的開關）；接著鐵粉與硫粉的混合物發生反應（Fe+S△= FeS），產生紅熱狀態，氣球鼓起，片刻后又變癟，說明生成的副產物二氧化硫（S+O2點燃= SO2）已被氣球和吸濾瓶內的氫氧化鈉溶液吸收掉（SO2+ 2NaOH=Na2SO3+H2O）；在燃燒匙內生成黑色的固體物質。

6.4 產物的檢驗

首先取少量用于反應的鐵粉與硫粉的混合物放在一張白紙上，用條形磁鐵的一端靠近時，可觀察到混合物內的鐵粉全部被吸附在條形磁鐵的端面上。待反應結束，取下橡膠塞，將反應生成的黑色固體放入研缽內中，用研杵將其研碎后放在同一張白紙的另一端，用條形磁鐵的另一端靠近時，沒有固體顆粒被吸附到條形磁鐵的端面上，由此說明，鐵粉與硫粉已經完全反應，生成了黑色的硫化亞鐵。

6.5 產物的處理

實驗結束后，將檢驗用鐵粉放回原處，將黑色的硫化亞鐵殘渣及燃燒匙的細沙放入指定容器，將氣球、吸濾瓶內的液體倒入空燒杯內，待做進一步的處理，以防造成污染。

7 兩點說明

7.1 激光筆的來源與工作時間

各種型號的激光筆市場有售，若本地沒有，可通過網購來獲取。激光筆照射時間不能超過1min，以免激光筆發熱使器件受損。

7.2 使用激光筆應注意的問題

50mW以上的激光筆能量較大，直射人的眼睛可受到不同程度的損傷。因此，在實驗過程中，激光不要直射自己或他人的眼睛，以防眼睛造成燒傷。

8 實驗優點

該實驗裝置取材容易，制作簡單，現象明顯，無空氣污染，將一個污染嚴重的化學實驗變成了一個環保的綠色化學實驗。此外，該實驗巧妙地將現代科技產品與普通化學實驗有機地結合在一起，解決了實驗中的疑難問題，為現代科技產品在化學實驗教學中的應用起到了一定的示范作用，并為化學實驗改革與創新的研究開創了一條新的有效途徑。

參考文獻：

[1]人民教育出版社中學化學編輯室編.高級中學課本（試用）·化學（甲種本）（第一冊）[M].北京：人民教育出版社，1983：52.

[2]人民教育出版社.中等師范學校課本·化學（第一冊）[M].北京：人民教育出版社，1993：88.

[3]人民教育出版社化學室編著.全日制普通高級中學教科書（必修）·化學（第二冊）[M].北京：人民教育出版社，2003：56.

[4]陳碧瑜.硫粉與鐵粉反應實驗的改進[J].化學教學，2011，（6）：48.

[5]孔祥龍.鐵與硫反應實驗的改進[J].甘肅教育學院學報（自然科學版），2000，（S1）：14

[6]田宗學.鐵與硫反應實驗的改進[J].教學儀器與實驗（中學版），2002，（12）：14.