鐵絲在氧氣中燃燒實驗的簡約化改

陸麗萍 姜跟華

關鍵詞：鐵在氧氣中燃燒;簡約化;實驗改進

1問題提出

“鐵絲在氧氣中燃燒”是關于氧氣化學性質的重要實驗，也是初中化學經典實驗之一。人教版九年級化學上冊第34頁實驗2-4如是描述：“把兩根光亮的細鐵絲分別盤成螺旋狀。取一根在酒精燈上燒至紅熱，觀察現象;另取一根，在下端系一根火柴，點燃火柴，待火柴快燃盡時，插入盛有氧氣的集氣瓶中，觀察現象”。該實驗對幫助學生認識氧氣化學性質、燃燒劇烈程度與氧氣濃度有關等知識有很好的作用。然而筆者在實驗教學中發現如下一些問題，例如：（1）難以把握“待火柴快燃盡時，插入盛有氧氣的集氣瓶中”的時機，操作上有點無所適從;（2）實驗時鐵絲經常不能燃燒，或燃燒時間非常短，成功率不高，影響學生觀察;（3）鐵絲燃燒后期，坩堝鉗難以將剩余的鐵絲繼續向下伸入，影響繼續燃燒等。為此決定對該實驗作改進研究，以期能提高實驗教學效果。

2已有改進

針對該實驗存在的問題，以“鐵燃燒”“鐵絲燃燒”等關鍵詞分別在中國知網、百度學術等數據庫進行檢索，發現許多研究者提出了不少改進方案，歸納起來有以下幾種方法。

2.1鐵絲直徑改進

將鐵絲的直徑縮小，這樣鐵與氧氣接觸面積增大，微粒的碰撞幾率就增多，物質就容易發生反應，從而提高實驗成功率。例如劉敬華和何志民用砂紙將直徑小于0.18mm的細鐵絲打磨光亮，在酒精燈或蠟燭火焰上加熱至紅熱后，伸入氧氣中進行燃燒;時穎和李德前將鐵絲絨整理成長約15 cm、粗細如鉛筆的一束，用坩堝鉗夾住鐵絲絨的一端，點燃，然后將鐵絲絨緩緩伸入氧氣瓶內;姚亮發等將內裝1g左右鐵粉的小藥瓶斜拿，輕輕地振搖，將鐵粉像撒胡椒粉那樣撒在酒精燈火焰上。

2.2引燃方法改進

教材中根據火柴的燃燒程度來把握伸入鐵絲的時機，成為實驗成功的關鍵，為此很多作者對這方面做了改進。譚祥中和涂紅梅將螺旋狀的一端鐵絲蘸滿無水乙醇，然后在酒精燈上點燃，迅速伸入到充滿氧氣的集氣瓶中;陳紅梅用1cm長的鎂帶去引燃鐵絲，即使粗一點的鐵絲也能引燃。

2.3燃燒方向改進

傳統的操作是將鐵絲從瓶口伸入，讓鐵絲從下往上燃燒，大部分的實驗改進都遵循這樣的思路，然而有些作者突破思維定勢，讓鐵絲從上往下燃燒。例如李德前將螺旋狀的鐵絲一端系一根火柴，另一端固定在海綿上，將海綿放入集氣瓶底，調節鐵絲高度，使火柴頭剛好在瓶口處，向瓶內注水使海綿濕潤，用向上排空氣法在此瓶中收集滿氧氣后，點燃火柴以引燃鐵絲（見圖1）;饒志權則將螺旋狀細鐵絲的一端不系火柴梗，而是系上一小團棉花，實驗時在棉花上滴1滴無水酒精，然后也讓其從上往下燃燒。

2.4持續通氣改進

氧氣的多少直接影響鐵絲是否能燃燒或燃燒的時間，為此提供充足的氧氣也成為研究者的改進思路。王善利則在集氣瓶中加入少量二氧化錳，然后倒入適量的過氧化氫，把細鐵絲連接的餐巾紙蘸取少量無水酒精，點燃，待鐵絲紅熱時，迅速放進集有氧氣的集氣瓶里（見圖2）。

對比教材中的實驗與上述實驗改進方案，不難看出教材中的實驗設計簡單、操作簡便，可惜成功率低;已有的實驗改進方案雖然在提高實驗成功率方面有所改善，但還是存在一些問題：（1）有的改進方案裝置復雜、操作繁瑣、不利于學生操作;（2）有的改進實驗成功率還是偏低;（3）有的改進實驗違背了人教版的實驗內容（鐵絲在空氣中不燃燒而能在氧氣中燃燒），不適合被借用，如用能在空氣中燃燒的鐵粉或鐵絲絨來做實驗等。為此筆者吸取這些改進實驗的經驗，經過實踐與探究，最終形成如下簡約化的實驗改進方案。

3簡約化改進方案

3.1實驗用品

高錳酸鉀、鐵絲（0.34 mm）、鐵架臺、試管、酒精燈、集氣瓶（250 mL）、水槽、小木條、火柴等

3.2實驗操作

（1）取一個250ml集氣瓶，用排水法收集一瓶氧氣（瓶底留點水），在水下用玻璃片蓋住集氣瓶口，取出后正放在桌面上，備用。

（2）取一根火柴，從火柴頭端截取整根火柴的三分之一。再取一根長約25 cm的細鐵絲，將細鐵絲直接繞在火柴上，大約繞5至8圈即可（圖3），再將細鐵絲另一頭繞在小木條上固定好。

（3）點燃酒精燈，將細鐵絲橫放，水平方向緩慢地將有火柴的一端鐵絲伸入到火焰中（圖4），當火柴頭被引燃時，輕輕拉開玻璃片（留出集氣瓶口一半），迅速將鐵絲伸人到集氣瓶口，然后緩慢地往下伸入，觀察到鐵絲劇烈燃燒，火星四射。

3.3改進說明

（1）250mL集氣瓶除了能提供更多的氧氣外，還具有較好的“縱深”（相對于125 mL），便于將鐵絲向下伸入，相對延長鐵絲燃燒時間。

（2）將1/3長度的火柴橫放，然后緩慢伸入酒精燈火焰中，目的是讓引燃火柴梗和火柴頭有點時問差，這樣可以先燃燒掉一點火柴梗，防止后面火柴燃燒消耗過多氧氣，同時便于找到鐵絲伸入氧氣中的時機。

（3）由于火柴梗與火柴頭燃燒的現象不同，筆者截取帶火柴頭的一段火柴，利用火柴頭燃燒時發出的聲音，來提示鐵絲伸入氧氣中的時機。

（4）將鐵絲直接繞在火柴上，操作方便，便于引燃鐵絲。但繞螺旋狀時切不可將鐵絲疊加在一起（見圖5），否則容易造成鐵絲剛燃燒一會就斷開而掉人瓶底，使實驗失敗。

3.4改進優點

（1）裝置簡約，操作簡單。改進實驗完美繼承原實驗裝置設計簡單、操作簡便等優點，只是增加了一個小木條，使伸入和取出操作很方便，且可以重復使用。

（2）效果明顯。實驗雖然只進行了簡約化改進，但由于比較注重細節，能很好地解決了原實驗中存在的問題（如鐵絲伸入時機難把握、火柴燃燒消耗較多氧氣、鐵絲燃燒時間短等），極大地提高了實驗的成功率，不僅適合教師演示實驗，也適合學生分組實驗。

4實驗改進后的思考

無論是原教材實驗，還是各文獻中的改進實驗，都是將鐵絲繞成螺旋狀，筆者就有了疑問：如果鐵絲不繞成螺旋狀，實驗能成功嗎？為此筆者取一根鐵絲，在前端系一段火柴（只繞一圈來固定），進行實驗，發現實驗竟然也能成功（筆者做了五次同樣如此）;筆者又分別用木炭、鎂條、酒精作引燃物，同樣不繞螺旋狀進行實驗，只發現用酒精作引燃物的實驗失敗了（原因是單位體積內鐵絲上的酒精量太少，只在酒精燈上燃燒極短時間，無法支撐到集氣瓶口），而用木炭或鎂條引燃的實驗依然能成功。既然鐵絲不繞成螺旋狀實驗也能成功，那繞螺旋狀的目的到底是什么呢？早先曾以為是增大與氧氣的接觸面積，后來在接受培訓和聽公開課時又陸續有教師提出：增大受熱面積、聚熱、對未燃燒部分進行預熱等等。到底是哪一個呢？還是都有呢？筆者查閱教參，教參中對該問題也沒有明確描述，只是指出“鐵絲的粗細和螺旋的緊密程度對實驗有影響”。為此筆者又通過中國知網進行查詢，發現陸春華和李奇對該問題做過研究，其中陸春華借助鐵絲燃燒方向不同，設計了五個實驗進行對比，最后提出“把鐵絲繞成螺旋狀與增大反應物的接觸面積無關，而是為了對未燃燒部分的鐵絲進行預熱”;而李奇根據鐵絲燃燒速度的不同，又提出了新的解釋：“防止火焰因劇烈燃燒迅速上升到集氣瓶內氧氣低濃度區而熄滅，利于操作和觀察”。為此筆者感覺迷茫，設計了一些對比實驗進行研究但未果。希冀有讀者對此問題也感興趣，愿意和您一起探索真知而努力。