以超細鋼絲棉替代鐵改進兩個化學(xué)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(shè)計“鐵燃燒”、“鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)”兩個實驗，使鐵在常態(tài)空氣中就能劇烈燃燒、鐵與硫酸銅溶液在短時間內(nèi)反應(yīng)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(xiàn)象明顯、趣味性強，提高了實驗的觀賞性和教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 超細鋼絲棉； 鐵燃燒實驗； 鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)； 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2018）6-0076-04 中圖分類號： G633.8 文獻標(biāo)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(xué)實驗，可以產(chǎn)生意想不到的實驗效果。

在前不久舉行的江蘇省初中化學(xué)評優(yōu)課上，周良老師在“金屬的性質(zhì)與利用”現(xiàn)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(yīng)”兩個實驗，贏得同行們的廣泛贊譽，并獲得顯著的教學(xué)效果。

1 鐵的燃燒實驗

一直以來，各版本的九年級化學(xué)教科書上有關(guān)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(wǎng)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(shè)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(fā)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(jīng)常遇到的事情。我們發(fā)現(xiàn)，如果使用超細的鋼絲棉代替常規(guī)的細鐵絲，那么鐵在常態(tài)空氣中也能燃燒起來，實驗現(xiàn)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(jié)實的細繩、打火機、燒杯、濕抹布、剪刀等

1.2 實驗裝置

新設(shè)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(jié)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(nèi)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(xù)燃燒）。此時鋼絲棉在空氣中較快地燃燒并產(chǎn)生火星，但火星不會濺出，只是較快地向四周擴散。

（4） 當(dāng)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(zhuǎn)（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(yīng)放出的熱量足以達到鋼絲棉持續(xù)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(dāng)飛濺出的火星已經(jīng)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(fā)現(xiàn)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(dāng)然，若要進一步驗證鋼絲棉的燃燒產(chǎn)物，還需要使用稀硫酸、硫酸銅溶液等試劑，這一環(huán)節(jié)可以適時安排在后續(xù)的酸堿鹽教學(xué)中，本節(jié)課無需拓展）

（7） 實驗結(jié)束，整理實驗用品。

1.4 注意事項

（1） 在教室或?qū)嶒炇依锼尤紵匿摻z棉時，甩動的平面要面對學(xué)生并離學(xué)生一段距離（保證火星不飛向?qū)W生），實驗者一定不要穿絨毛類、化纖類外衣（最好穿白色棉質(zhì)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(fā)火災(zāi)、燙傷學(xué)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(zhuǎn)（實驗者必須戴帽子），或?qū)⒏鞣N旋轉(zhuǎn)方式穿插進行。

（3） 用來甩動的細繩必須結(jié)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(xué)危險物品儲存消防安全管理辦法》中的有關(guān)規(guī)定。

（5） 實驗過程中雖然產(chǎn)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(jié)束后，一定要提醒學(xué)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(xiàn)場指導(dǎo)，以確保實驗安全。

1.5 實驗優(yōu)點

（1） 新設(shè)計的實驗方案，材料易得（超細鋼絲棉可以網(wǎng)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(xué)的效益。

（2） 實驗設(shè)計新穎，實驗現(xiàn)象有趣，因此激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神。

（3） 超細鐵絲在空氣中就能燃燒的事實，促進了學(xué)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(jié)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(xué)生的科學(xué)風(fēng)險意識。

（6） 該實驗不僅適合課堂演示，還可以在化學(xué)晚會上或課外活動中指導(dǎo)學(xué)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(shè)較厚的一層細砂。

2 鐵與硫酸銅溶液的反應(yīng)

多年來，九年級化學(xué)教科書設(shè)計的鐵與硫酸銅溶液的反應(yīng)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(nèi)僅可以觀察到鐵釘（或鐵絲）表面出現(xiàn)少許紅色固體，難以觀察到溶液的顏色由藍色變?yōu)闇\綠色。我們發(fā)現(xiàn)，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(nèi)（0.7min左右）產(chǎn)生較多的紅色固體，同時可以觀察到藍色溶液變?yōu)槊黠@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(shè)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?yōu)闇\綠色。上述實驗現(xiàn)象充分說明鐵與硫酸銅溶液發(fā)生了置換反應(yīng)，即： Fe+CuSO4Cu+FeSO4。

（6） 將試管保持直立狀態(tài)，此時有明顯的放熱現(xiàn)象，可適當(dāng)松開試管口的橡皮塞。整個實驗結(jié)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(dǎo)致鋼絲棉的透氣性明顯下降。因此，為了確保試管翻轉(zhuǎn)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(yīng)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(fā)生沖塞現(xiàn)象。

（3） 為了增大實驗現(xiàn)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(dǎo)學(xué)生觀察反應(yīng)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(yīng)的速率會更快一些[3]。

2.5 實驗優(yōu)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(yīng)速率，而且解決了以往課堂上難以觀察到的硫酸銅溶液變?yōu)闇\綠色的這一現(xiàn)象，因此提高了實驗教學(xué)的效果。

（2） 利用生活中的物品進行化學(xué)實驗，激發(fā)了學(xué)生對身邊化學(xué)物質(zhì)的探索熱情。

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

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

3 結(jié)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(xué)特性也因此發(fā)生了極大的改變[4]。在實驗教學(xué)中，巧妙利用超細鋼絲棉改進和設(shè)計化學(xué)實驗，不僅能顯著提高有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的速率，還能放大有關(guān)反應(yīng)的實驗現(xiàn)象，同時豐富了中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)資源。超細鋼絲棉作為實驗材料來自于生產(chǎn)生活，這不僅能激發(fā)學(xué)生探究身邊物質(zhì)的好奇心，也提高了化學(xué)教師開展實驗教學(xué)的能力，并在一定程度上降低了化學(xué)實驗教學(xué)的成本。

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

參考文獻：

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

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

[3]姜根華. 對鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)的實驗探究[J]. 化學(xué)教與學(xué)， 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(xué)學(xué)報， 2012， （1）： 88～92.

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