鐵與水蒸氣反應手持式實驗裝置的設計

摘要：針對教材中鐵與水蒸氣反應實驗的不足，用彎管、套管、鋼絲棉等進行手持式實驗裝置的設計，并借助傳感器對氫氣濃度進行實時測量。利用新設計的實驗裝置可進行課堂演示或分組實驗，具有安全性高，趣味性、移動性強，視覺效果好，一體化及易推廣等優點。

關鍵字：鐵與水蒸氣反應;?手持式實驗裝置;?實驗改進;?彎長導管

文章編號：1005-6629（2020）07-0077-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1??問題提出

鐵是課程標準要求學習的典型金屬元素之一。2019年人教版高中必修新教材第三章第一節在介紹鐵與水蒸氣反應時[1]，聯系生產實際創設真實情境，呈現了鋼鐵生產中鋼水注入模具的真實圖片，從而提出“熾熱的鐵水或鋼水注入模具之前，模具必須進行充分的干燥處理，不得留有水，這是為什么”的問題，教材再呈現鐵粉與水蒸氣反應的實驗圖片，引導學生深入思考與討論，了解反應原理，從而明確地回答了該問題[2]。

若按教材裝置進行實驗存在以下不足：（1）濕棉花提供的水蒸氣不均勻、不連續，導致產氫氣量低，實驗現象不明顯，且濕棉花容易烘干燒焦;（2）當溫度達到反應要求的500～600℃時，濕棉花的水流向試管加熱處，不僅會將鐵粉帶離加熱處，還會導致炙熱的試管炸裂，存在安全隱患;（3）還原鐵粉成堆狀，與水反應接觸不夠充分，使得加熱裝置需要改用酒精噴燈、多頭酒精燈或加用防風罩等措施，操作不夠簡潔，耗時也較長，存在安全隱患，大大影響教學效果。

2??研究現狀

針對以上不足，很多學者不斷做了嘗試，對實驗進行改進和創新：在改變水蒸氣產生方式上，任鑫雨等[3]利用硅酸鋁棉代替棉花提供水蒸氣;張慧容[4]、刁鈺華等[5]利用五水硫酸銅分解釋放水提供水蒸氣，但仍需用兩個酒精燈加熱;王紫華等[6]利用香蕉等水果提供水蒸氣，但難免會有果酸以及水果中富含的乙烯的干擾。在增大鐵粉的接觸面上，方向東等[7]利用石棉絨包裹鐵粉，但石棉的導熱能力比較差;任劭等[8]通過精心設計利用磁鐵吸引鐵粉，增大接觸面，但也只有表面的鐵粉才能與水蒸氣接觸反應，且該裝置使用儀器較多，組裝耗時較長，操作也不夠簡練。

3??設計理念

在化學實驗教學中，不僅要重視知識結構的建構，也要重視對學生創新意識、安全意識的培養。實驗是進行科學探究的重要方式，一個實驗若操作更簡便、現象更明顯、更環保安全和有趣，無疑對40分鐘的課堂教學是非常有意義的[9]。

（1）?文獻中供水劑的選擇可謂五花八門，硅酸鋁棉、五水硫酸銅、水果等使學生眼花繚亂。成分越復雜，讓學生利用前面所學的金屬活動性順序、氧化還原反應、鈉及其化合物等知識推理出水被還原的產物就越難。能否巧妙地選擇或加工儀器，直接利用水提供水蒸氣呢？

（2）?鐵與水蒸氣反應，條件是高溫，通常溫度需要500～600℃時才開始反應。能否找到比表面積較大的鐵，這樣既能與水快速反應，又能降低反應所需溫度，減少試管炸裂的風險，提高實驗的安全性？

（3）?通常實驗裝置固定在鐵架臺上，產生的氫氣泡在不透明的蒸發皿中，學生無法實時觀察到實驗現象。能否將裝置盡可能一體化、生活化，現象更加明顯化、直觀化呢？這樣就可以走近學生，讓學生積極參與實驗活動。

4??實驗改進

4.1??實驗儀器及用品

儀器：托盤天平、酒精燈、打火機、試管夾、具支試管、乳膠頭、單孔橡皮塞、（加工的）彎長導管、焰色實驗中的鐵絲（用作取泡器）、橡膠管、玩具吹泡器（截取前端）

用品：鋼絲棉、棉線、蒸餾水、泡泡水

4.2??實驗改進要點

（1）?用棉線穿過加工的彎長導管（尾端用乳膠頭蓋上）制成水蒸氣的發生裝置。彎管的設計，不僅可以在加熱初期減少水的損失，也可以避免產生的水蒸氣再凝結成水，將水與鐵進行物理分離，從根本上解決試管炸裂問題，顯著提高實驗的安全性。

（2）?周良[10]、伍強[11]等利用鋼絲棉改進了鐵單質的化學實驗，由于鋼絲棉比表面積較大，實驗取得很好的效果。借鑒此方法利用鋼絲棉代替鐵粉可以充滿整個試管內壁，使得熱量能更好地傳遞和利用。

（3）?借鑒化學1教材剛剛學過的比較碳酸鈉與碳酸氫鈉的穩定性實驗中的套管設計，將穿有棉線的長彎導管穿過橡膠塞再插入具支試管的裝置來代替插有導氣管的試管，設計出鐵與水蒸氣反應的簡易裝置。

（4）?借助數字氫氣傳感器和同屏顯示技術，讓學生實時、直觀、量化地看到氫氣濃度;利用玩具吹泡器驗證氫氣生成的同時增加了實驗的趣味性，增強了學生的視覺效果。助力學生解決化學實驗中產生的疑惑，促進學生加深理解化學學科本質。

4.3??實驗裝置圖

實驗裝置見圖1，裝置圖中的酒精燈、試管夾省略。用棉線穿過加工好的彎長導管制成水蒸氣發生裝置，利用套管設計將加水后的有棉線的彎管穿過鋼絲棉卷再插入具支試管制成鐵與水蒸氣反應的簡易裝置，用橡膠管將玩具吹泡器（截取前端）固定在支管口，驗證氫氣的生成。

4.4??實驗過程及現象

（1）?按圖1將儀器組裝好，檢查裝置的氣密性。

（2）?點燃酒精燈，使用試管夾夾好試管，氫氣傳感器探頭插入具支試管的支管口。預熱后，對鋼絲棉卷位置集中加熱，很快數顯氫氣傳感器顯示的氫氣濃度慢慢升高。

（3）?取下氫氣傳感器探頭，在玩具吹泡器上蘸上泡泡水，便可看到氣泡產生并不斷增大，用焰色實驗中的鐵絲作為取泡器，取下一個氫氣泡放在酒精燈火焰上，可聽到清脆的爆鳴聲，從而驗證產生的氣體是氫氣。

（4）?熄滅酒精燈，利用試管夾的靈活性，將手持裝置帶到學生中，利用余溫產生的泡泡，讓學生近距離地觀察實驗現象，積極參與實驗活動。

4.5??實驗改進的效果

（1）?利用彎長導管制成水蒸氣的發生裝置，可以避免產生的水蒸氣再凝結成水而引起試管炸裂;乳膠頭里儲備一些水，便于實驗能持續產生水蒸氣，也避免產生過多的氫氣。

（2）?充滿一段試管內壁的鋼絲棉不僅保證熱量更好地利用和傳遞，也讓水蒸氣通過鋼絲棉縫隙時充分接觸，更好更快地反應。

（3）?借鑒化學1教材剛剛學過的比較碳酸鈉與碳酸氫鈉穩定性實驗中的套管設計，制成鐵與水蒸氣的反應裝置，起到一器多用、培養學生的創新意識的作用。彎管置于試管中部，可以在加熱初期，減少導管內的水受熱，進而減少水變成水蒸氣帶走大量熱量;而鋼絲棉緊貼試管內壁，鋼絲棉快速受熱后，便可和產生的水蒸氣接觸發生反應。

（4）?在反應開始前，先把氫氣傳感器探頭放入支管口，當產生氫氣時，便可讓學生直觀地看到顯示氫氣濃度的數字隨著反應時間增加而不斷增大，見證了本改進實驗從傳統到現代、從定性到定量、從靜態到動態的轉變。

（5）?實驗使用便于移動的試管夾，使整個實驗裝置更簡單，操作更簡便;實驗只使用一個酒精燈，不僅能滿足反應快速進行需要的溫度，而且降低了使用酒精噴燈或多頭酒精燈存在的安全隱患;不用鐵架臺，不僅操作更靈活，而且便于教師移動行走，手持正在產生氫氣氣泡的實驗裝置走近學生，有助于活躍課堂氣氛，激發學生學習化學的興趣，讓學生積極主動參與實驗活動中，提高了課堂效率。如此通過一系列科學探究活動，發展學生敢于探索的創新意識和嚴謹求實的科學態度。

參考文獻：

[1]王晶等.?普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M].北京：人民教育出版社，?2019：66.

[2]王晶等.?普通高中課程標準實驗教科書·化學1·教師教學用書[M].??北京：人民教育出版社，?2019：88.

[3]任鑫雨，?廖鈁.?鐵與水蒸氣反應實驗的改進及評價[J].?化學教學，?2018，?（12）：71～72.

[4]張慧容.?鐵與水蒸氣反應的實驗探究[J].?中學化學教學參考，?2019，?（9）：50～51.

[5]刁鈺華.?鐵與水蒸氣反應實驗的創新設計[J].?實驗教學與儀器，?2020，?37（1）：?33～34.

[6]王紫華.?利用香蕉提供水蒸氣與鐵粉反應[J].?化學教學，?2019，?（4）：75～77.

[7]方向東，?梅進豐，?王雪梅.?再談“鐵與水蒸氣反應”實驗中的供水問題[J].?化學教育（中英文），?2018，?39（9）：27.

[8]任劭，?陽彩霞，?梁恩湘，?李珊，?王國祥.?鐵粉與水蒸氣反應實驗改進[J].?中學化學教學參考，?2019，?（18）：52～53.

[9]李文杰.?濃硫酸與銅反應實驗的改進[J].?化學教學，?2019，?（7）：63～65.

[10]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.

[11]伍強.?超細鋼絲棉在鐵與水蒸氣反應實驗中的應用[J].?化學教學，?2019，?（9）：?69～71.