鐵與水蒸氣反應實驗改進

高成 陳驁

摘要：教材上的鐵與水蒸氣反應的實驗現象不夠明顯，該實驗中試管非常容易炸裂。鑒于這些不足，以校園內的泥土作為儲水物質，在用肥皂泡檢驗氫氣的同時，還將反應產物氫氣用于還原氧化銅，以此雙重檢驗的方式改進該實驗。改進后的實驗操作簡單、試管不易炸裂、實驗現象明顯、具有趣味性、實驗成本低、適合課堂演示和學生分組實驗。

關鍵詞：鐵與水蒸氣反應；氫氣檢驗；儲水物質；實驗改進

文章編號：10056629（2023）12007103

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 問題提出

人教社2019年出版的高中化學必修第一冊教材第三章第一節“金屬的化學性質”中有鐵粉與水蒸氣在高溫條件下的反應實驗^［1］，以此探究鐵的活潑性以及反應可能生成的產物。實施該實驗，主要存在以下一些問題：一是使用棉花充當儲水物質，如果棉花吸水過多，則在試管底部會形成積水，進而隨著反應的進行易引起試管炸裂。如果棉花吸水過少，那么在加熱過程中，棉花容易被燒焦、碳化；二是隨著加熱的進行，水蒸氣不斷蒸發，導致反應產物中混有大量的水蒸氣，當用火苗檢驗氫氣時燃爆現象不夠明顯，而且檢驗氫氣的手段也比較單一，導致實驗效果不佳；三是由于氫氣燃爆實驗的特殊性，需要收集氫氣，隨著鐵粉的消耗，便無法再檢驗，使實驗現象的持續時間較短。

2 相關文獻簡介

在儲水物質的改進方面，聶偉春等使用“尿不濕”中的SAP材料做儲水物質。SAP材料吸水儲水能力比棉花強很多，在200℃時水分子才從SAP材料中揮發出來，且不易焦化^［2］。陳晶將Mg（OH）₂與還原鐵粉均勻混合后加熱，利用Mg（OH）₂受熱分解產生水蒸氣與鐵粉反應^［3］。王紫華用去皮香蕉充當儲水物質^［4］。伍強選用超細鋼絲棉替代鐵粉與水蒸氣反應^［5］。以上的改進雖然解決了試管易炸裂等問題，但考慮到實驗的經濟性和方便性，這些改進措施通常無法獲得廣泛、全面的認同和推廣。

在氫氣的檢驗方面，教材僅僅采用取火苗直接引爆肥皂泡法來檢驗氫氣，而在實際演示時，經常會出現氫氣氣流較弱，無法吹出理想的肥皂泡，或者氣流中含有大量水蒸氣，導致檢驗的成功率很低。于是聶偉春等用小試管收集氫氣點燃檢驗^［6］，楊莉改用試管排水集氣的方式來收集、檢驗氫氣^［7］。雖然用點燃收集于小試管中氫氣的方法來代替吹肥皂泡法能提高檢驗的成功率，但仍不能有效解決水蒸氣干擾的問題。伏勁松等通過用產物氫氣還原氧化銅的實驗來檢驗氫氣^［8］。李文杰選用手持技術改進實驗裝置及反應過程^［9］。以上幾種改進方法都有不錯的效果，可是需要另行搭建實驗裝置，使裝置變得較復雜，操作步驟也更繁瑣。

3 實驗改進思路

儲水物質的選擇必須滿足以下幾點要求：耐高溫，不易燒焦；受熱產生水蒸氣的速率不能太快，從而避免在試管末端快速產生積水；便宜、經濟、易獲取，能夠滿足絕大多數學校開展此實驗。綜合考慮以上因素，本文嘗試采用校園里的泥土作為儲水物質，選擇的泥土以含少量砂的黃泥土為上品，且盡量不含或少含有機質與化肥等。鑒于氫氣高溫下能還原氧化銅，用玻璃滴管設計了一個氫氣的雙重檢驗裝置。讓學生既可以觀察到氧化銅變紅產生的銅鏡，又可以通過用火苗直接引爆法來檢驗氫氣。如此雙重法檢驗產物氫氣，增加了本實驗的趣味性和成功率。

4 實驗部分

4.1 實驗儀器用品與裝置圖

具支試管、橡膠塞、小藥匙、鐵架臺、20cm橡膠導管、小鑷子、玻璃滴管、帶把手小坩堝、酒精燈、含砂黃泥土、洗潔精、還原鐵粉、玻璃棉、氧化銅粉末實驗裝置如圖1所示。

4.2 實驗步驟

（1）在具支試管底部裝入長度約2cm濕的含砂黃泥土，注意不能裝得太緊。

（2）按圖1安裝好實驗裝置，并檢查裝置氣密性。

（3）取下膠塞，在距離泥土約1cm處放入一小藥匙還原鐵粉，塞好膠塞。

（4）用濕潤的玻璃棉蘸取氧化銅粉末塞入一支玻璃滴管中（可少量多次塞入）約4cm長。

（5）用長約20cm的橡膠導管，一端連接具支試管的支口，另一端連接玻璃滴管的上端口，并將其固定在另一鐵架臺上。

（6）在小坩堝內裝好適量的洗潔精，備用。

（7）點燃具支試管下的酒精燈，預熱試管，然后集中加熱鐵粉，用余熱加熱黃泥土，使其提供水蒸氣。隨后，點燃另一個酒精燈集中加熱氧化銅處。并開始計時，觀察現象。

（8）待玻璃滴管內出現銅鏡后，停止計時，隨后移動小坩堝至滴管滴口處，將滴管的滴口插入洗潔精液面，使小坩堝內洗潔精液面上吹出氣泡，待氣泡較多時用明火點燃，以此再次檢驗氫氣。

4.3 實驗現象

在實驗進行過程中，滴管中的氧化銅在酒精燈加熱下較快形成一圈非常光亮的銅鏡，移動酒精燈可使銅鏡長達4cm。在滴管中完成氫氣還原氧化銅的實驗后，移動小坩堝并將滴管口插入洗潔精液面中，洗潔精液面上快速吹出多而密集的小泡泡，用明火點燃即能清晰地聽到爆鳴聲，并看到燃爆現象。具支試管口處有少量白霧，試管完好無損。通過多次平行實驗，實驗效果均較好，不僅能看到光亮的銅鏡，完成燃爆實驗，而且實驗的重復性良好。實驗總耗時約1分45秒左右，非常適合課堂演示。

4.4 關于實驗的幾點說明

（1）采用具支試管且具支口朝下是為了導出可能在試管口冷凝的液態水，以防止冷凝水回流而炸裂試管。

（2）用濕潤的玻璃棉蘸取氧化銅粉末是為了增大涂抹的接觸面積，更好地形成銅鏡。

（3）兩個鐵架臺之間的橡膠導管長約20cm，是為了冷卻水蒸氣，使流入滴管參與銅鏡反應的氫氣達到較高純度。

（4）選用帶把手的小坩堝盛裝洗潔精進行氫氣吹泡和燃爆實驗，是為了方便移動，操作簡單。

（5）為了形成明亮的銅鏡，實驗時可順著滴管左右移動酒精燈，使滴管中的氧化銅充分受熱，形成面積更大、更光亮的銅鏡。

4.5 實驗注意事項

（1）濕泥土裝入具支試管不能過緊、量也不宜過多，2cm長左右即可。

（2）實驗所用泥土為就地取材的下表層泥土，泥土中盡量不含有機質，如果采用的泥土太過干燥可以加入少許水攪拌均勻至不粘手、不沾試管壁即可。

（3）小坩堝內用于吹泡的洗潔精不需加水，直接倒入小坩堝內即可。

5 改進后實驗的優點

（1）實驗取材方便，如供水劑材料簡單、易得。

（2）實驗現象明顯，學生易于觀察，且可以雙重檢驗產物氫氣，還增加了實驗的趣味性和成功率。

（3）裝置簡單，操作方便，既便于課堂演示，又可用于學生探究實驗。

（4）能有效避免儲水物質的焦化和試管炸裂，實驗的安全性和成功率高，重現性好。

參考文獻：

［1］人民教育出版社課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心. 普通高中教科書·化學（必修第一冊）［M］. 北京：人民教育出版社，2019：64～69.

［2］［6］聶偉春，李永紅. “尿不濕”材料用于“鐵與水蒸氣反應”實驗最佳條件的探究［J］. 中小學實驗與裝備，2020，（4）：39～42.

［3］陳晶. “鐵與水蒸氣反應”實驗的改進及啟示［J］. 實驗教學與儀器，2014，（03）：26～27.

［4］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.

［5］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.

［7］楊莉. 鐵與水蒸氣反應實驗的再改進［J］. 化學教學，2014，（9）：54～55.

［8］伏勁松，張艷華，王麗麗等. 對“鐵與水蒸氣反應”實驗中供水劑共性的研究［J］. 化學教育（中英文），2017，（21）：68～72.

［9］李文杰. 鐵與水蒸氣反應手持式實驗裝置的設計［J］. 化學教學，2020，（7）：77～78.