細鐵絲在氧氣中燃燒的實驗教學改進

陸君君

細鐵絲在氧氣中燃燒的實驗教學改進

陸君君

（蘇州市第三十中學校 江蘇蘇州 215008）

簡述了初中化學教材中“鐵絲在氧氣中燃燒”實驗的不足，對比了改進前和改進后的實驗教學中學生學習的狀況。

螺旋狀;細鐵絲;氧氣;燃燒;實驗教學

一、問題提出

上海教育出版社義務教育教科書，九年級上冊《化學》，P31頁“活動與探究”中第3個實驗“鐵絲在氧氣中的燃燒”，是驗證性質活潑的氧氣中一個重要的學生實驗。

相比較“活動與探究”中1和2兩個實驗，本實驗存在一些實際困難，如對學生進行實驗操作的熟練度、收集到氧氣的純度體積、以及鐵絲伸入集氣瓶的時機等方面要求頗高。綜合這些因素，導致學生有時觀察不到鐵絲燃燒的實驗現象，或者“火星四射”持續時間很短，效果很不明顯。

針對這些問題，本人在一系列的對比實驗后，對其進行了如下分析和相應的實驗改進。

二、實驗改進

1.實驗儀器和用品

0.5 mm細鐵絲、酒精燈、坩堝鉗、集氣瓶（250mL）、玻璃片、燃燒匙、火柴、無水酒精、小燒杯。

2.鐵絲在氧氣中的燃燒的一般流程

（1）用排水集氣法集滿一瓶氧氣（瓶底預留部分水），水下蓋好玻璃片，正放桌面備用。

（2）先將細鐵絲繞成螺旋狀（一般用玻璃棒將細鐵絲纏繞成螺旋狀），然后在末端系上火柴梗，另一端用坩堝鉗夾持住鐵絲。

（3）點燃酒精燈，將系上火柴梗的細鐵絲在酒精燈上引燃，待“火柴梗即將燃盡時”，將它們由上而下緩慢伸入集滿氧氣的集氣瓶中，并仔細觀察現象。

3.分析和改進

【分析1】本實驗，對氧氣純度和氧氣的體積要求較高。學生在實驗過程中，收集的氧氣純度和體積常因操作不當而受到影響。原因有三。

原因一：引燃火柴梗后，鐵絲過早伸入，火柴燃燒消耗過多氧氣。

原因二：實驗室用于收集氧氣的集氣瓶規格一般為125mL；本實驗中瓶底還需要鋪沙或水，又會占據一部分體積，從這個數據來看，真正應用于鐵絲燃燒的氧氣體積偏少。

（學生實驗中，試管的規格一般為20mm×200mm的平口試管，這種規格決定了加入的高錳酸鉀的質量一般不大于12g，約占試管體積的1/3，換算成標準狀況下氧氣的體積約為850mL。按照這個數據，兼顧考慮到制取和收集過程中損耗的氧氣，實驗員提供學生實驗的集氣瓶規格以125mL為主，也有用更小的60mL集氣瓶，一次制取過程最多能收集到2-3瓶氧氣。）

原因三：學生有時會用收集的第一瓶氧氣用于鐵絲燃燒實驗，而第一瓶氧氣中常因含較多裝置中的空氣而影響了純度。

（根據蘇州市第十六中學的張鑄鋼老師在一師一優課平臺分享的“2.1氧氣的制備和收集”一課中，用數字傳感器測得的研究數據表明：試管的規格一般為20mm×200mm的平口試管中放入約10g高錳酸鉀，待水槽中玻璃彎管口產生“連續氣泡，均勻冒出”現象約20秒之后，氧氣的純度才剛剛從21%左右開始上升，60秒后到達80%以上。）

【改進1】集氣瓶改用250mL；或用排水集氣法收集的第二瓶氧氣（體積至少125mL），且盡快進行鐵絲燃燒實驗。

圖1 三種不同規格的集氣瓶對比

【分析 2】鐵絲繞成螺旋狀，主要是為了增大鐵絲的受熱面積，提高局部溫度。本人經過不斷的對比實驗，發現鐵絲的螺旋半徑越小，燃燒現象越容易發生，鐵絲的末端也更容易熔成球狀（比半徑大的螺旋熔成的球狀明顯大）。

【改進 2】用燃燒匙的柄端纏繞，得到半徑更小的鐵絲螺旋。

圖2 用玻璃棒和燃燒匙柄端分別纏繞而成的螺旋狀鐵絲并系上火柴梗

圖3 燃燒匙柄端纏繞的螺旋狀鐵絲燃燒后末端熔成小球

【分析3】火柴是影響本實驗的一個不穩定的因素，原因有二。

原因一：把握“火柴即將燃盡”的時機較難，常出現鐵絲進入集氣瓶前，火柴已經熄滅的現象。

原因二：引燃鐵絲后，火柴燃燒后的黑色固體常因反應劇烈，而掉落集氣瓶底，影響了學生對鐵絲燃燒后產生的黑色生成物的判斷。

【改進3】用無水酒精取代火柴梗引燃鐵絲。

圖4 是鐵絲浸潤無水酒精

圖5 引燃后發生燃燒的現象

4.鐵絲在氧氣中的燃燒——改進后實驗的流程

（1）排水法收集125mL或250mL氧氣（瓶底預留少量水）。

（2）先將鐵絲在燃燒匙柄端繞成螺旋狀之后，將鐵絲螺旋狀的一端少許浸沒在事先準備好的小燒杯中的無水酒精內。（浸沒部分不易超過螺旋狀長度的1/2，避免因酒精燃燒消耗過多氧氣。）

（3）點燃酒精燈，將浸過酒精的細鐵絲在酒精燈上直接引燃，同時微微移開玻璃片，立刻由上而下慢慢伸入集氣瓶中，鐵絲劇烈燃燒，火星四射，放出熱量，生成黑色固體物質。

5.對鐵絲燃燒改進實驗后的再反思

本人在鐵絲燃燒實驗改進后，利用本校教研活動的機會，組織組內三位化學教師進行改進實驗的實踐嘗試，并幫助分析實驗改進中存在的問題和再次改進的可能性。經過分析和總結，關于鐵絲燃燒的改進，我們得出如下的結論：

（1）對于學生實驗來說，氧氣的純度和體積必須有保證，這是首要因素。

（2）系火柴梗和浸潤無水酒精都是引燃鐵絲的方式，作用是維持鐵絲的溫度不低于著火點。最大的區別在于無水酒精引燃鐵絲后不會影響學生對黑色產物的判斷。

（3）螺旋狀的半徑大小對鐵絲燃燒發生的難易程度有一定影響，對鐵絲最終熔成小球的體積影響很大。

三、實驗改進后的教學實踐

根據改進后的實驗，采用對比實驗的原則：本人以蘇州市第三十中學校2016屆隨機三個班級的初三學生共計126人（理論上2人一組，極個別1人，或3人一組）進行分組驗證性實驗。

1.實驗教學情況數據對比

實驗分別以氧氣125mL和250mL，火柴梗式引燃鐵絲和無水酒精式引燃鐵絲兩個變量為切入點進行對比實驗。實驗教學中的原始數據如下：

表1 火柴梗式引燃鐵絲、125mL氧氣組對照表

②“現象明顯”是指火星四射基本能射到集氣瓶內壁上，且持續時間較長，鐵絲螺旋狀一端能熔成紅熱的球狀，或者在瓶底能發現小球狀黑色生成物；

③“現象不明顯”是指火星四射的范圍比較窄，持續時間不長，鐵絲熔成小球不十分明顯，或者在瓶底未能發現小球狀黑色生成物；

④“無現象”指基本觀察不到鐵絲燃燒的現象（下同）。

表2 無水酒精式引燃鐵絲、125mL氧氣組對照表

表3 火柴梗式引燃鐵絲、250mL氧氣組對照表

2.實驗前的準備工作和必要說明

①為了避免因實驗操作的不熟悉，以及對實驗流程的陌生等主觀因素，3個班126名學生已經在各自的化學老師指導下，進行過一次火柴梗式引燃鐵絲燃燒的實驗操作，因此本次改進實驗的對象已經掌握了一定的實驗技能。這樣做的理由是盡可能平衡因實驗對象操作流程熟練度的較大差異性，減小實驗失敗的偶發性，著重于通過比較，得出改進后無水酒精式引燃鐵絲的優點。

表4 無水酒精式引燃鐵絲、250mL氧氣組

②為了激勵學生勇于挑戰和創新，提高學生的團隊競爭意識和實驗興趣，本人在同一班級內和不同班級間設置獎勵機制，獎項內容主要為“最快實驗現象”、“最佳實驗現象”和“最安全清潔實驗小組”。在強調又快又好的同時，不忘實驗安全，保護環境的目的。

③每個班級先進行火柴梗式引燃鐵絲的實驗，后進行無水酒精引燃鐵絲的實驗。

3.實驗中出現的偶發性問題和針對性的教學反思

①在2人小組合作的實驗模式下，無水酒精式引燃鐵絲小組普遍用時要略少于火柴梗式引燃鐵絲小組。因無水酒精式引燃鐵絲實驗過程中省略了“系火柴?！钡葘嶒灢襟E，節約了操作時間。

表5 分組對比實驗數據分析

②從表5的實驗數據的分析中可以看出，總體而言，無水酒精組數據明顯要優于火柴組，尤其是125mL氧氣分組實驗中，無水酒精組的整體優勢體現十分明顯；然而250mL氧氣分組實驗時，結果差異性不大：原因可能是因為氧氣的體積相對較多，使得氧氣的一些損耗幾乎可以忽略不計。

③用無水酒精引燃鐵絲的小組同學出現了幾組集氣瓶瓶身炸裂的情況，而相反用火柴引燃鐵絲的小組該情況很少出現，即使有個別組，也是瓶底炸裂。經分析后發現這種情況主要是因為坩堝鉗夾持鐵絲太短，造成鐵絲引燃后伸入集氣瓶時，鐵絲一端的燃燒點不慎碰到集氣瓶瓶口處內壁，導致集氣瓶瓶身炸裂。而用火柴梗引燃時，由于鐵絲螺旋狀末端綁有火柴，火柴在瓶中燃盡時若碰到集氣瓶內壁，其溫度也不高，火柴把集氣瓶內壁和鐵絲燃燒點隔離開來，起到了變相的保護集氣瓶的作用。

⑤由于本實驗改進和創新了課本實驗，又設置了競爭的意識，使得學生有極大的滿足和成就感；實驗達到了“打破常規”，鼓勵學生自我創新，勇于挑戰“真理”的目的。

⑥雖然實驗中存在個別小組因客觀因素（非正常智力）未能完成本實驗，但整個實驗過程中體現了團隊協作的理念，“實踐出真知”的信念必將留在學生的心中。

4.關于改進后的“放大實驗”的構思

在本文中提到的“對鐵絲燃燒改進實驗后的再反思”中闡述了氧氣的純度和體積是本實驗成功的首要因素，而無水酒精引燃鐵絲對判斷產物不會產生影響，螺旋狀半徑大小不起決定因素，建立在這些基礎上，本人決定將本實驗放大。具體實驗步驟如下：

（1）實驗用品

18L的純凈水桶、厚塑料袋（最好醫療儀器回收袋）、50L醫療氧氣包（充工業氧99%）、酒精燈、坩堝鉗、無水酒精、0.5細鐵絲。

圖6 純凈水桶

圖7 塑料袋

圖8 氧氣袋

（2）實驗流程

① 純凈水桶內裝滿水，倒置在水池中，把氧氣包內的工業氧用排水法收集在純凈水桶內，待快收集滿時（水下降到接近純凈水桶頸部），留少部分水，移走導管，用塑料袋在水下封住純凈水桶口部，形成液封（使得氧氣不易外逸），并用繩子扎緊口部，保持純凈水桶倒置狀態取出。

②用玻璃棒將細鐵絲繞成螺旋狀若干組，并相互纏繞成“鋼絲球狀”，浸沒無水酒精。

③將純凈水桶倒過來正放平地上，調整塑料袋使得水進入桶中，塑料袋不必解開，保持純凈水桶口的塑料袋平整。用坩堝鉗夾持“鐵絲球”在酒精燈上引燃后，立即迅速移至純凈水桶口部，燙開塑料袋后伸入純凈水桶中，觀察現象：如節日煙花般火星四射，十分美麗，鐵絲一端形成多個小球。

（3）實驗目的和反思

實驗室實驗向工業化生產轉化的一個重要的問題在于，化學原理在放大具象化過程中存在哪些需要解決的問題。一根螺旋狀鐵絲的燃燒和許多螺旋狀鐵絲的燃燒需要的氧氣量有什么不同，如何來獲得這么多氧氣，如何收集這些氧氣，實驗過程出現的偶發性問題該如何解決，如“用塑料袋和水來液封的方式來保存氧氣”等就是十分有創意的想法。

這個改進性的實驗可以激發學生的創造性思考的激情，很有實踐的意義。

［1］ 李奇.鐵絲在氧氣中燃燒實驗的討論與改進［J］.新課程導學,2012（7）：22

［2］ 譚祥中，涂紅梅.鐵絲在氧氣中燃燒實驗的改進［J］.化學教學，2008（12）：14

1008-0546（2017）10-0094-04

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.033