以超細鋼絲棉替代鐵改進兩個化學實驗

周良　魏海　王會　李德前

摘要： 利用比表面積特別大的超細鋼絲棉設計“鐵燃燒”、“鐵與硫酸銅溶液反應”兩個實驗，使鐵在常態空氣中就能劇烈燃燒、鐵與硫酸銅溶液在短時間內反應就能得到淺綠色溶液。改進后的兩個實驗，不僅操作簡便，而且現象明顯、趣味性強，提高了實驗的觀賞性和教學效果。

關鍵詞： 超細鋼絲棉； 鐵燃燒實驗； 鐵與硫酸銅溶液反應； 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2018）6-0076-04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

鋼絲棉本來是用于家具打磨、拋光的一種超細鐵絲，由于其極細的外形、超大的比表面積，因此用它來代替常見的鐵絲進行某些化學實驗，可以產生意想不到的實驗效果。

在前不久舉行的江蘇省初中化學評優課上，周良老師在“金屬的性質與利用”現場課中，利用超細鋼絲棉做了“鐵的燃燒”“鐵與硫酸銅溶液反應”兩個實驗，贏得同行們的廣泛贊譽，并獲得顯著的教學效果。

1 鐵的燃燒實驗

一直以來，各版本的九年級化學教科書上有關鐵的燃燒實驗，均是在充滿氧氣的集氣瓶里進行的（見圖1）。一般使用自行車閘線或從鐵絲網上抽取細鐵絲，再將細鐵絲繞成螺旋狀，然后在細鐵絲末端系一根火柴；在火柴快要燒到鐵絲時，迅速將細鐵絲伸入氧氣瓶中。

按照上述設計，如果一切順利，鐵絲在氧氣瓶里能夠劇烈燃燒，但其燃燒的時間很短，畢竟氧氣的量很有限。另外，集氣瓶在實驗過程中常會發生炸裂。不僅如此，鐵絲沒能正常燃燒起來，也是教師在課堂上經常遇到的事情。我們發現，如果使用超細的鋼絲棉代替常規的細鐵絲，那么鐵在常態空氣中也能燃燒起來，實驗現象妙不可言。

1.1 實驗用品

0000號的超細鋼絲棉、水；中號的金屬文具夾、結實的細繩、打火機、燒杯、濕抹布、剪刀等

1.2 實驗裝置

新設計的實驗裝置見圖2。

1.3 實驗操作

（1） 找一個中號的金屬文具夾，再找一根長約30cm的細繩（確保結實且沒有彈性），將細繩的一端緊緊地系在金屬文具夾尾部的孔中。

（2） 取一卷寬約6～7cm的超細鋼絲棉，剪取長約25cm的一段，然后向上對折，再將金屬文具夾夾在鋼絲棉的邊口重疊處（要確保夾入金屬夾內的鋼絲棉長約0.7cm左右，見圖2）。

（3） 一只手拿著細繩的末端（拎著鋼絲棉），另一只手拿著打火機，在鋼絲棉下端的邊角處將其引燃（只要點燃外層的鋼絲棉，它就能持續燃燒）。此時鋼絲棉在空氣中較快地燃燒并產生火星，但火星不會濺出，只是較快地向四周擴散。

（4） 當鋼絲棉燃燒3～4秒后，實驗者即可在胸前的豎直方向，快速甩動燃燒的鋼絲棉，使其高速旋轉（做圓周運動）。此時，由于鋼絲棉與空氣的相對運動，使得鋼絲棉接觸到充足的氧氣（此時氧氣與鐵反應放出的熱量足以達到鋼絲棉持續燃燒需要的溫度條件[1]），因而劇烈燃燒，火花綻放，火星四濺，非常刺激，異常壯觀（見圖3）。

（5） 當飛濺出的火星已經很少時，說明鋼絲棉即將燒盡。此時停止甩動，并立即將殘留有火星的鋼絲棉浸入水中，以熄滅火種。

（6） 用磁鐵靠近掉落在地面上的黑色顆粒，發現黑色顆粒能被磁鐵吸引，初步說明鋼絲棉燃燒生成了四氧化三鐵，即： 3Fe+2O2點燃Fe3O4。

（當然，若要進一步驗證鋼絲棉的燃燒產物，還需要使用稀硫酸、硫酸銅溶液等試劑，這一環節可以適時安排在后續的酸堿鹽教學中，本節課無需拓展）

（7） 實驗結束，整理實驗用品。

1.4 注意事項

（1） 在教室或實驗室里甩動燃燒的鋼絲棉時，甩動的平面要面對學生并離學生一段距離（保證火星不飛向學生），實驗者一定不要穿絨毛類、化纖類外衣（最好穿白色棉質工作服），并確保實驗場地沒有易燃物（如掃帚、絨狀的布簾、廢紙簍等），以免濺出的火星引發火災、燙傷學生。

（2） 如果是在室外場地進行該實驗，甩動鋼絲棉的動作還可以花樣翻新。甩動時，不僅可以在胸前豎直方向做圓周運動，還可以在頭頂上方水平旋轉（實驗者必須戴帽子），或將各種旋轉方式穿插進行。

（3） 用來甩動的細繩必須結實，在實驗前一定要仔細檢查，確保沒有破損，以防實驗中細繩突然斷裂，造成燃燒的鋼絲棉飛出而釀成事故。

（4） 鋼絲棉屬于可燃物，其使用和保存必須嚴格遵守《化學危險物品儲存消防安全管理辦法》中的有關規定。

（5） 實驗過程中雖然產生了大量的火花，但火星在快速下落的過程中會很快冷卻。因此，本實驗有驚無險。

（6） 實驗結束后，一定要提醒學生“不得在家中擅自模仿”。若要在家中做此實驗，必須有成年人現場指導，以確保實驗安全。

1.5 實驗優點

（1） 新設計的實驗方案，材料易得（超細鋼絲棉可以網購且價格便宜），操作簡便，師生人人都能做成功，因此提高了實驗教學的效益。

（2） 實驗設計新穎，實驗現象有趣，因此激發了學生的學習興趣和創新精神。

（3） 超細鐵絲在空氣中就能燃燒的事實，促進了學生對完全燃燒條件的認識。

（4） 實驗的演示無需另備氧氣，因此節省了藥品，降低了實驗成本。

（5） 通過演示本實驗，有利于提高學生的科學風險意識。

（6） 該實驗不僅適合課堂演示，還可以在化學晚會上或課外活動中指導學生表演。

1.6 兩點說明

（1） 在課外活動中，若想延長鐵在空氣中燃燒的時間，并濺出濃密的火花，可以截取較長的一段鋼絲棉，并多折疊幾層。

（2） 課堂上，如果使用超細鋼絲棉在氧氣瓶里做鐵的燃燒實驗，只需直接點燃一綹鋼絲棉，然后伸入氧氣瓶里即可，此時鐵絲燃燒非常劇烈，濃密的火花四濺。因此，集氣瓶底部要放置較多的水（不少于2cm深）或鋪設較厚的一層細砂。

2 鐵與硫酸銅溶液的反應

多年來，九年級化學教科書設計的鐵與硫酸銅溶液的反應都是使用2～3根潔凈的鐵釘（或1根螺旋狀的鐵絲）。由于鐵釘（或鐵絲）與硫酸銅溶液的接觸面小，短時間內僅可以觀察到鐵釘（或鐵絲）表面出現少許紅色固體，難以觀察到溶液的顏色由藍色變為淺綠色。我們發現，如果將足量的超細鋼絲棉浸入硫酸銅溶液中，不僅短時間內（0.7min左右）產生較多的紅色固體，同時可以觀察到藍色溶液變為明顯的淺綠色。

2.1 實驗用品

0000號超細鋼絲棉、0.3mol/L的硫酸銅溶液；30mm×200mm的大試管、與大試管配套的7號橡皮塞、塑料吸管、剪刀等

2.2 實驗裝置

新設計的實驗裝置見圖4。

2.3 實驗操作

（1） 取一根塑料吸管，剪取長約4cm的一段，備用。

（2） 取一卷寬約6～7cm的超細鋼絲棉，剪下長約4cm的一段備用。

（3） 將剪下的鋼絲棉均勻地纏繞在細塑料管上，并確保卷起來的鋼絲棉直徑略大于大試管的直徑。

（4） 向大試管中緩緩注入0.3mol/L的硫酸銅溶液，溶液的量不超過試管容積的1/3；然后將卷好的鋼絲棉豎直塞入大試管的中部，并塞緊橡皮塞（見圖4）。

（5） 將大試管緩慢地顛倒4～6次，立刻觀察到鋼絲棉表面均勻地覆蓋著一層紅色固體，并且溶液的藍色逐漸變淺，最終變為淺綠色。上述實驗現象充分說明鐵與硫酸銅溶液發生了置換反應，即： Fe+CuSO4Cu+FeSO4。

（6） 將試管保持直立狀態，此時有明顯的放熱現象，可適當松開試管口的橡皮塞。整個實驗結束后，及時清洗、整理實驗用品。

2.4 注意事項

（1） 鋼絲棉與硫酸銅溶液接觸后，立刻生成大量的細小顆粒的金屬銅，并附著在鐵絲表面，這樣就導致鋼絲棉的透氣性明顯下降。因此，為了確保試管翻轉時硫酸銅溶液仍能順利穿過鋼絲棉，必須提前在鋼絲棉中間包裹一根細塑料管，并且不要將鋼絲棉卷得過于緊湊。

（2） 鋼絲棉與硫酸銅溶液快速反應時放熱明顯，操作時必須將橡皮塞塞緊試管口，以防實驗過程中發生沖塞現象。

（3） 為了增大實驗現象的可視性，盡量選用大容積的試管，并且硫酸銅溶液的濃度不宜過小（一般以0.2～0.4mol/L為宜[2]）。

（4） 引導學生觀察反應后溶液顏色的變化時，注意跟原硫酸銅溶液做對比，并將一張白紙放在試管后面做襯托。

（5） 如果沒有硫酸銅溶液，也可以使用氯化銅溶液或硝酸銅溶液，而且相同條件下氯化銅溶液與鐵反應的速率會更快一些[3]。

2.5 實驗優點

（1） 超細鋼絲棉與硫酸銅溶液能充分接觸，不僅加快了反應速率，而且解決了以往課堂上難以觀察到的硫酸銅溶液變為淺綠色的這一現象，因此提高了實驗教學的效果。

（2） 利用生活中的物品進行化學實驗，激發了學生對身邊化學物質的探索熱情。

（3） 超細鋼絲棉與硫酸銅溶液快速反應的事實，有利于學生認識到反應物接觸面對提高化學反應速率的促進作用。

（4） 本實驗既能用于質量守恒定律的教學，也可以在金屬化學性質的教學中進行演示。

3 結束語

由于超細鋼絲棉的比表面積特別大，故其表面活性非常強，一些化學特性也因此發生了極大的改變[4]。在實驗教學中，巧妙利用超細鋼絲棉改進和設計化學實驗，不僅能顯著提高有關化學反應的速率，還能放大有關反應的實驗現象，同時豐富了中學化學實驗教學資源。超細鋼絲棉作為實驗材料來自于生產生活，這不僅能激發學生探究身邊物質的好奇心，也提高了化學教師開展實驗教學的能力，并在一定程度上降低了化學實驗教學的成本。

總之，上述兩個改進實驗都達到了“一看就懂、一學就會、重在思維引導”[5]的創新效果。

參考文獻：

[1]劉蕊， 丁偉. “固體燃燒”相關問題釋疑——從“鐵燃燒”實驗說起[J]. 化學教學， 2010， （2）： 75～77.

[2]劉加虎. 鐵跟硫酸銅反應的實驗探討[J]. 中學化學， 2009， （6）： 21～21.

[3]姜根華. 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.

[4]何丹丹， 金晶， 路遙等. 納米鐵粉燃燒特性研究[J]. 上海理工大學學報， 2012， （1）： 88～92.

[5]李小紅， 桂耀榮. 對化學實驗課程創新的思考[J]. 江西教育， 2016， （14）： 50～51.