用鐵絲絨做“Fe與CuSO₄溶液反應”的實驗

李德前 魏海 張羿

摘要： 對鐵絲絨與CuSO4溶液反應做了實驗探究。實驗發(fā)現： 將比表面積很大的鐵絲絨纏繞在彎曲的粗鋼絲（或粗銅絲）上然后插入CuSO4溶液中，可顯著提高反應的速率，在反應開始后的短時間內就能觀察到溶液中有“銅樹”形成，而且反應后的溶液也呈現明顯的淺綠色。該實驗有利于學生準確獲取“Fe與CuSO4溶液反應”的實驗現象，激發(fā)學生學習化學的興趣，提高實驗教學的質量，豐富中學化學實驗教學資源。

關鍵詞： 比表面積; 鐵絲絨; 鐵與硫酸銅溶液反應; 銅樹

文章編號： 1005-6629（2018）11-0078-03中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

在現行各種版本的義務教育化學教科書中，都安排了金屬鐵與銅鹽溶液（主要使用CuSO4、 CuCl2溶液）反應的實驗，旨在引導學生認識鐵的化學性質，了解金屬活動性強弱的比較方法。

教科書上設計的鐵與銅鹽溶液反應的演示實驗，選用的是普通鐵釘（或與鐵釘粗細差不多的普通鐵絲），通常能觀察到鐵釘（或鐵絲）表面淡淡地覆蓋了一層紅色固體，固體產物很難形成理想的“銅樹”形狀;生成的亞鐵鹽（FeSO4或FeCl2）由于量少且易被氧化，致使實驗過程中很難觀察到反應后的溶液呈現“淺綠色”，造成學生對亞鐵鹽溶液的顏色缺乏感性認識。可見，原實驗方案不僅給實驗教學帶來困難，也容易引起學生對該實驗的一些誤解。

基于“逆向思維”[1]的視角，我們對該實驗進行了優(yōu)化： 將反應物鐵絲“由粗變細”，通過改用超細鐵絲（如鐵絲絨、鋼絲棉等）設計“Fe與CuSO4溶液反應”的實驗[2]。下面詳細介紹新設計的兩個實驗方案。

1 改進方案Ⅰ

1.1 實驗用品

鐵絲絨（網購），4%的CuSO4溶液;20mm×200mm的試管（含配套的橡皮塞），直徑約0.5cm、長約25cm的粗鋼絲（或粗銅絲），銼刀，剪刀等

1.2 實驗裝置

改進后的實驗裝置見圖1。

1.3 實驗步驟

（1） 找一根粗細約0.5cm、長約25cm的粗鋼絲（或粗銅絲），將其彎曲成不規(guī)則的螺旋狀，并用銼刀將粗鋼絲表面打毛，使其表面凹凸不平（以防下一步纏繞的鐵絲絨滑落下來）。

（2） 剪取大小合適的一塊鐵絲絨，將其整理為寬約3cm、長約25cm的長條狀，然后將鐵絲絨按順時針方向纏繞在彎曲的粗鋼絲上，注意使纏繞上去的鐵絲絨松緊適度、外形不規(guī)則（可以是樹狀或樹根狀）、長度不超過13cm、粗細不超過2cm（見圖1）。

（3） 向20mm×200mm的試管中緩慢注入溶質質量分數為4%的硫酸銅溶液，溶液的體積不要超過試管容積的4/5。

（4） 左手拿試管，右手拿粗鋼絲的最上端，將鐵絲絨緩緩插入CuSO4溶液中，鐵絲絨表面立即就會附著一層紅色固體（說明鐵置換出了CuSO4溶液中的銅）。接下來，緩慢地上下移動粗鋼絲5～7次，使鐵與CuSO4溶液充分反應，其間鐵絲絨表面附著的紅色固體會越來越厚，溶液的藍色越來越淺（說明CuSO4不斷減少），手摸試管外壁還能感覺到明顯發(fā)熱（說明反應放熱）。

（5） 粗鋼絲停止上下運動后再靜置2～3分鐘，然后將粗鋼絲從試管中取出，立即將橡皮塞塞緊試管口（盡量阻止FeSO4被氧化）。

（6） 引導學生觀察粗鋼絲上的鐵絲絨，其外形既像“銅樹”，又像金色的“根雕”。觀察試管里的溶液顏色，已由原先的藍色變?yōu)槊黠@的淺綠色（說明鐵置換出銅的同時生成了FeSO4）。

（7） 實驗結束，整理實驗用品，指導學生完成實驗報告。

2 改進方案Ⅱ

2.1 實驗用品

鐵絲絨（網購），6%的硫酸銅溶液;18mm×180mm的U形管（含配套的橡皮塞），直徑約0.5cm、長約16cm的粗鋼絲（或粗銅絲），銼刀，剪刀等

2.2 實驗裝置

改進后的實驗裝置見圖2（夾持裝置略）。

2.3 實驗步驟

（1） 取一根直徑約0.5cm、長約16cm的粗鋼絲（或粗銅絲），將粗鋼絲繞成不規(guī)則的螺旋狀，并用銼刀將粗鋼絲表面處理得有些凹凸不平，然后把粗鋼絲的頂端牢牢插入橡皮塞中。

（2） 剪一塊大小合適的鐵絲絨，將鐵絲絨整理為寬約2cm、長約25cm的長條狀，然后將長條狀鐵絲絨按順時針方向纏繞在彎曲的粗鋼絲上，注意使纏繞上去的鐵絲絨松緊適度、外形不規(guī)則（可以是樹狀或樹根狀）、長度不超過13cm、粗細不超過1.8cm（見圖2）。

（3） 向18mm×180mm的U形管中緩慢注入溶質質量分數為6%的CuSO4溶液，注意使液面距管口有2～3cm的距離。

（4） 左手拿在U形管左管的中部，右手持橡皮塞，將鐵絲絨緩緩插入右管的CuSO4溶液中，鐵絲絨表面立即覆蓋上一層紅色固體（說明鐵置換出了銅），同時將橡皮塞緊緊塞到右管的管口上，然后將U形管固定并靜置。

（5） 1～2分鐘后可以發(fā)現，鐵絲絨表面的紅色固體不斷加厚，鐵絲絨周圍的溶液顏色明顯變淺（說明CuSO4不斷減少），手摸U形管右管的外壁感覺發(fā)熱（說明反應放熱）。

（6） 3～5分鐘后觀察，U形管里溶液的藍色按照“右管→U形管底部→左管”的方向逐漸變淺，即離鐵絲絨越近的溶液其藍色越淺，并呈現淺綠色（說明鐵置換出銅的同時還生成FeSO4），離鐵絲絨越遠的溶液其藍色越深（說明反應過程中溶液里的Cu2+在不斷地向鐵絲絨附近運動）;并且U形管兩邊出現液面差——右管里的液面略低于左管里的液面（進一步說明反應放熱）。

（7） 1～2小時后觀察，U形管左、右管里的液面差已經消失（說明反應放出的熱量已完全散失到空氣中），U形管左、右管里的溶液顏色的差別也越來越小（說明反應逐步趨于平衡狀態(tài)）。

（8） 大約6～7小時后反應終止（反應結束的時間與氣溫、溶液濃度、鐵絲的粗細和質量等都有關系），最終的實驗現象是： 鐵絲絨表面覆蓋一層濃密的紅色物質，其造型像是“銅樹”，又像是“黃金根雕”，U形管底部有少量脫落下來的紅色物質;左管的液面處有少許液體呈黃綠色[說明接觸到空氣的FeSO4被氧化為Fe2（SO4）3]，U形管內其余溶液均為淺綠色。

（9） 實驗結束，整理實驗用品，指導學生完成實驗報告。

3 結束語

在上述兩個改進實驗中，鐵絲絨一定要取過量，保證CuSO4溶液完全反應、反應后的溶液呈現淺綠色，又使生成的超細銅粉能夠附著在細鐵絲表面而不脫落。CuSO4溶液的溶質質量分數以4%～6%為宜，若濃度過大反應過程中可能會產

生氫氣，若濃度過小則鐵絲表面附著的銅粉可能會呈現黑色[3]。另外，觀察反應后溶液的顏色時，可以用白紙或白色的墻壁做背景襯托。

總之，本改進實驗利用鐵絲絨的比表面積大的特點，增進了Fe與CuSO4溶液的接觸，使反應在短時間內就出現了預設的標準實驗現象，這一事實有利于學生直觀地認識到影響化學反應速率的因素，并培養(yǎng)學生的學科觀念。由于鐵絲絨柔軟且有韌性，因此很容易將其塑造成各種形狀（如樹形、根雕形、礦石形等），從而使固體產物的形狀別致有趣，激發(fā)了學生學習化學的好奇心和創(chuàng)新思維。本改進實驗所需要的實驗用品大多是常規(guī)的藥品和儀器，鐵絲絨雖不常見，但網購方便且價格低廉（每百克不足3元）。它既可作為演示實驗，也能作為學生的分組實驗或用于課外探究活動，從而為化學實驗教學積累優(yōu)質的課程資源。

參考文獻：

[1]李德前.例談初中化學實驗創(chuàng)新的思維方法[J].化學教學， 2013，（3）： 65～68.

[2]周良，魏海，王會，李德前.以超細鋼絲棉替代鐵改進兩個化學實驗[J].化學教學， 2018，（6）： 76～79.

[3]姜跟華.對鐵與硫酸銅溶液反應的實驗探究[J].化學教與學， 2013，（3）： 93～94.