利用香蕉提供水蒸氣與鐵粉反應(yīng)

王紫華

摘要： 利用常見水果——香蕉作為水蒸氣來源與鐵粉反應(yīng)，代替教材實(shí)驗(yàn)中的濕棉花，經(jīng)過多次探索、嘗試和對照，結(jié)果發(fā)現(xiàn)香蕉供水持續(xù)、穩(wěn)定，產(chǎn)氣量大，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，重現(xiàn)性好，適合課堂演示及學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 香蕉; 鐵粉與水蒸氣反應(yīng); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2019）4007503中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題提出

“鐵與水蒸氣的反應(yīng)”是人教版高中必修《化學(xué)1》第三章第一節(jié)“金屬的化學(xué)性質(zhì)”科學(xué)探究欄目中的實(shí)驗(yàn)[1]。該實(shí)驗(yàn)采用濕棉花作為水蒸氣來源，用酒精燈加熱還原鐵粉進(jìn)行反應(yīng)，并通過點(diǎn)燃含氫氣肥皂泡的方法來檢驗(yàn)產(chǎn)生的氣體為氫氣。但在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)： 該實(shí)驗(yàn)雖然操作簡單，但成功率低[2]，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，用火柴點(diǎn)燃導(dǎo)氣管出來的氣體時(shí)，根本點(diǎn)不著，無法驗(yàn)證產(chǎn)生的氣體是否為氫氣[3]。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)及查閱資料，筆者認(rèn)為主要原因在于： （1）濕棉花的水分易揮發(fā)。鐵與水蒸氣反應(yīng)的溫度為1173K[4]，而水的沸點(diǎn)為373K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)溫度，因此，當(dāng)鐵粉溫度達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，濕棉花中的水分早已蒸發(fā)殆盡，導(dǎo)致水蒸氣量不足，產(chǎn)生的氫氣量極少，現(xiàn)象不明顯。（2）在加熱過程中，濕棉花中的水會(huì)流向試管中間加熱部位，導(dǎo)致試管炸裂;同時(shí)棉花的著火點(diǎn)低，集中加熱易著火，存在安全隱患。

針對以上不足，很多同行先后報(bào)道了多種改進(jìn)方法。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： （1）供水劑的改進(jìn)。例如用鍋爐煤灰[5]、粉筆灰[6]、紅磚粉[3]、沙子[7]、SAP[8]、水晶泥[9]、硅膠[10]等吸水材料代替原實(shí)驗(yàn)中的棉花;用膽礬[11]、 Ca（OH）[12]2、 Mg（OH）[13]2等常見結(jié)晶水合物或高溫分解產(chǎn)生水的物質(zhì)做供水劑;用水蒸氣發(fā)生裝置或類似于該原理的裝置供水。例如用膠頭滴管[14]、試管[15]、注射器[16]裝水，或?qū)⒃嚬軓澢鶾17]或用玻璃彎管[18]等供水。（2）加熱方式的改進(jìn)。開發(fā)出雙頭或三頭酒精燈[19]。這些方法不同程度地提高了實(shí)驗(yàn)成功率，但效果仍然不夠理想。主要表現(xiàn)在反應(yīng)速率慢、氫氣產(chǎn)量少、實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜、難以操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可見度低等。特別是在供水劑的選擇上始終存在供求矛盾： 供水不足或供水過量。供水不足時(shí)水蒸氣產(chǎn)生太慢、太少，導(dǎo)致無法達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果;供水過量會(huì)在試管前端形成大量的水蒸氣，水蒸氣冷凝、倒流而使試管炸裂。

鑒于上述問題，筆者通過查閱文獻(xiàn)，反復(fù)探索、嘗試，發(fā)現(xiàn)利用常見水果——香蕉作為鐵與水蒸氣反應(yīng)中的供水劑，操作簡單，綠色環(huán)保，供水持續(xù)、穩(wěn)定，水量適中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，重現(xiàn)性好。實(shí)驗(yàn)將化學(xué)與生活聯(lián)系起來，有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

托盤天平、藥匙、酒精燈、帶鐵夾的鐵架臺(tái)、試管、帶導(dǎo)管的橡膠塞、自制酒精燈防風(fēng)罩、自制燈罩座（細(xì)鐵絲彎曲而成）、火柴、坩堝鉗、洗潔精、蒸發(fā)皿

2.2 實(shí)驗(yàn)藥品

分析純還原鐵粉、常見水果（西瓜、火龍果、雪梨、荔枝、香蕉）、NaOH固體

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

鐵與水蒸氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

2.4 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

（1） 按照圖1組裝好裝置，并檢查其氣密性。

（2） 用托盤天平稱取2g香蕉（去皮），裝入試管底部，在距香蕉1～2cm處加入2g還原鐵粉，試管口略向下傾斜，用帶導(dǎo)管的單孔橡膠塞塞緊試管口，然后將導(dǎo)管的另一端插入事先準(zhǔn)備好的盛有肥皂液的蒸發(fā)皿中。

（3） 點(diǎn)燃帶有防風(fēng)罩的酒精燈，先對香蕉及鐵粉部位預(yù)熱，然后再對著裝有鐵粉的位置固定加熱，大約10秒后肥皂液中有氣泡產(chǎn)生，隨著溫度的升高，香蕉中的水開始沸騰，香蕉開始膨脹，肥皂液中氣泡越來越多，產(chǎn)生速度越來越快，點(diǎn)燃肥皂泡，劇烈燃燒，火焰高達(dá)15cm左右，同時(shí)伴有強(qiáng)烈的爆鳴聲，說明有氫氣產(chǎn)生。反應(yīng)結(jié)束后，先移開肥皂液，再撤去酒精燈。

（4） 我們還嘗試了用其他水果提供水蒸氣與鐵粉反應(yīng)，方法同前，實(shí)驗(yàn)效果見表1。

2.5 對比實(shí)驗(yàn)

通過查閱大量資料，得知盡管水果中的果酸含量較低（一般約0.3%～0.5%，低的僅0.1%左右），但為了證據(jù)更充分，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，選擇了pH接近中性的西瓜（pH約為6.6）來做對比實(shí)驗(yàn)，以此來確定果酸中的酸是否與鐵粉反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。

（1） 取2g西瓜于試管底部，再加入2g鐵粉，振蕩試管，使其充分混合，并按圖1裝置裝好，無氣泡產(chǎn)生，再將試管置于盛有水的燒杯中進(jìn)行水浴加熱，起初有極少量的氣泡產(chǎn)生（可能為空氣），隨著不斷加熱，燒杯中的水沸騰，10分鐘之后，肥皂液中無氣泡產(chǎn)生。說明水果中的酸幾乎與鐵粉不反應(yīng)。

（2） 同樣取2g西瓜于試管底部，加入1g NaOH固體，振蕩試管，使西瓜與NaOH充分混合（試管底部發(fā)燙），再稱取2g鐵粉，平放于距西瓜1～2cm的位置，按照圖1裝好整個(gè)裝置并加熱，20秒后，肥皂液中開始產(chǎn)生大量氣泡，點(diǎn)燃肥皂泡，立即燃燒并伴有爆鳴聲。說明水果中的果酸對該反應(yīng)無影響，從而充分說明氫氣是由水果中的水蒸氣而非果酸與鐵粉反應(yīng)所得。

3 實(shí)驗(yàn)說明

（1） 裝置中提到的防風(fēng)燈罩是利用廢舊的易拉罐，剪去上下兩端部分，再從中間部分上下剪開，然后按大小再用訂書機(jī)訂在一起，實(shí)現(xiàn)了廢物利用，體現(xiàn)了綠色化學(xué)。

（2） 燈罩座是用細(xì)鐵絲彎曲而成，主要是為了增大空氣的進(jìn)入量，確保酒精燈充分燃燒。

（3） 香蕉切忌太碎太小，切成塊狀，略小于試管口即可。

（4） 肥皂液是由洗潔精和水混合而成，濃度不宜太稀，否則產(chǎn)生的氫氣不能大量聚集，點(diǎn)燃時(shí)現(xiàn)象不明顯。

4 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 立足教材，裝置簡單。該實(shí)驗(yàn)利用教材中的簡單裝置，以香蕉代替?zhèn)鹘y(tǒng)的濕棉花與鐵粉反應(yīng)。既立足教材，又不失創(chuàng)新。

（2） 操作簡便，適宜演示。香蕉供水產(chǎn)生氫氣的速度既快且穩(wěn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在2～3分鐘內(nèi)即可完成，完全符合課堂教學(xué)的要求。

（3） 降低成本，條件溫和。由于香蕉供水持續(xù)穩(wěn)定，加熱過程中不會(huì)產(chǎn)生大量水流，避免了因水蒸氣大量冷凝而使試管炸裂的現(xiàn)象。因此用普通的試管代替硬質(zhì)試管即可順利完成實(shí)驗(yàn)。

（4） 現(xiàn)象明顯，重現(xiàn)性好。香蕉產(chǎn)氣量大，現(xiàn)象明顯，且不易炭化，是水蒸氣的最佳來源之一。

（5） 就地取材，綠色環(huán)保。實(shí)驗(yàn)材料來源廣泛、易得，綠色環(huán)保，安全可靠，適合課堂演示及分組實(shí)驗(yàn)，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋心琦主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1[M]. 北京： 人民教育出版社， 2007： 50～51.

[2][12]林鎖強(qiáng). 鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 學(xué)周刊， 2014， （5）： 158.

[3][18]曹義科. 鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新改進(jìn)[J]. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)， 2014， （10）： 43～44.

[4]馬世昌. 基礎(chǔ)無機(jī)化學(xué)反應(yīng)[M]. 西安： 陜西人民教育出版社， 1995： 1005.

[5]任有良， 張國春， 方國強(qiáng). 鐵與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2011， （12）： 43～44.

[6]任躍紅. 中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[M]. 北京： 中國石化出版社， 2013： 94.

[7]賴陸鋒， 李春燕， 鐵與水蒸氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J]. 化學(xué)教育， 2008， （3）： 63.

[8]孫丹， 熊曉丹， 朱凌藍(lán)等. SAP用于鐵和水蒸氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教育， 2015， （21）： 48～49.

[9]王秋月， 洪濤， 孟陽等， 對鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的評價(jià)與優(yōu)化[J]. 化學(xué)教育， 2016， （19）： 68～70.

[10]洪長青， 王玉琴. 鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2012， （5）： 49～50.

[11]成志高. 鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2014， （1/2）： 48.

[13]陳晶. “鐵與水蒸氣反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)及啟示[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2014， （3）： 26～27.

[14]張艷紅， 匡傳榮. 鐵粉與水蒸氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與改進(jìn)[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2016， （2）： 45～55.

[15]陳新智. 鐵跟水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2004， （12）： 15.

[16]劉英杰. 鐵粉與水蒸氣實(shí)驗(yàn)改進(jìn)新法[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2010， （11）： 12.

[17]楊莉. 鐵與水蒸氣反應(yīng)的改進(jìn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2014， （9）： 54～55.

[19]魏華平， 宋濤. 鐵與水蒸氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2006， （1）： 21.