鐵與水蒸氣反應(yīng)實驗的探究

譚宗俊　向雪皚　樊　敏

文章編號：1005－6629(2009)05－0075－03中圖分類號：G632.479文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

［問題］某學(xué)生課外實驗探究小組的同學(xué)看到老師在演示教材上鐵與水蒸氣反應(yīng)的實驗需要的時間相當(dāng)長，且不易成功，他們仔細(xì)研究了該實驗裝置后，經(jīng)過反復(fù)討論認(rèn)為該實驗主要是以下3點導(dǎo)致了實驗的不易成功：1.隔著石棉網(wǎng)加熱時傳熱太慢；用較大燒瓶作為水蒸氣發(fā)生器，耗熱太多，從而使點燃酒精燈到產(chǎn)生水蒸氣的時間太長。2.產(chǎn)生的水蒸氣流過還原鐵粉時，因為流速較快帶走了大量的熱量，從而使鐵粉和水蒸氣加熱時不易達(dá)到反應(yīng)的溫度。3.用向下排空氣法收集氫氣時，因反應(yīng)的程度低和氣體流速較快，收集滿氫氣需要的時間太長。為此他們根據(jù)如下思路來設(shè)計和改進(jìn)該實驗的探究：(見圖1)

1.取消石棉網(wǎng)，用可以耐高溫的玻璃儀器，直接對玻璃儀器加熱。

2.將產(chǎn)生水蒸氣的裝置和反應(yīng)裝置合并在一起，用一個裝置來完成原來裝置兩部分所起的功能。

3.檢驗反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣時，不用收集就直接點燃，因為反應(yīng)如果能夠發(fā)生的話，生成物中只有氫氣是可以燃燒的，如果能夠點燃?xì)怏w，就可以證明反應(yīng)發(fā)生了。

同學(xué)們討論后一致認(rèn)為：可以用兩種方案來實施改進(jìn)：

方案I：用吸水性強(qiáng)的固體，在高溫加熱時又不和水反應(yīng)的物質(zhì)作為該反應(yīng)的吸水載體，將此物質(zhì)濕潤后和鐵粉混合均勻在同一裝置中直接高溫加熱使之發(fā)生反應(yīng)。

方案II：將原來產(chǎn)生水蒸氣的液態(tài)水改成在較高加熱溫度時讓某種固體物質(zhì)產(chǎn)生的水蒸氣和鐵粉接觸，為此他們通過查閱資料和平時熟悉的物質(zhì)的性質(zhì)，進(jìn)行篩選得到如下物質(zhì)和數(shù)據(jù)：

對于方案I所選擇的吸水性強(qiáng)的物質(zhì)：a. 高溫鍛燒后的建筑用紅磚的粉末，b. 粉筆碎屑或粉末，c.棉花，d.泡沫塑料，e.河沙。

對于方案II備選的物質(zhì)(見表1)

有以下玻璃儀器：燒瓶、硬質(zhì)玻管、硬質(zhì)大試管、裝有固體干燥劑的干燥管、玻璃彎管和注射器針頭(鐵架臺和酒精噴燈已略去)(見圖2)

根據(jù)以上回答下列問題：

1.鐵和水蒸氣反應(yīng)的化學(xué)方程式：_________。

2.你認(rèn)為給出的玻璃儀器中，可以用作反應(yīng)器的是(填寫編號)：_____________。如果要檢驗實驗產(chǎn)生的氣體是氫氣，選用的儀器按照從左到右的順序依次是(填寫編號)____________。如果要直接點燃?xì)錃鈦眚炞C反應(yīng)已成功發(fā)生，你覺得應(yīng)該在(a.反應(yīng)剛開始、b.反應(yīng)開始一段時間后、c.反應(yīng)即將結(jié)束時)(填編號)______，原因是_____________。

3.對于方案I的探究，你覺得備選物中可以用來潤濕后和鐵粉在高溫后進(jìn)行反應(yīng)的物質(zhì)是(至少選兩種，填編號)_______，對于方案II，根據(jù)圖表中的數(shù)據(jù)，你覺得用作和還原鐵粉加熱時產(chǎn)生水蒸氣的固體試劑較好的是：(填寫化學(xué)式)_____，原因是：_____________________。

4.你覺得該實驗改進(jìn)方案II中所選用的固體試劑和還原鐵粉的質(zhì)量比(忽略顆粒不均的因素)最好為：_______，原因是___________________。

［命題意圖］本題屬于原創(chuàng)題，是為2008年四川高考理綜合試卷中化學(xué)實驗準(zhǔn)備的備選題之一。取材于四川和部分省市還在使用的舊人教版高二化學(xué)的演示實驗，該實驗如果按照教材上的儀器和操作一般都不能成功，而新人教版也將此實驗作為學(xué)生探究實驗編排在化學(xué)必修I中，本題意在教學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗中的問題，利用生活中熟悉的物質(zhì)結(jié)合實驗中的基礎(chǔ)知識，創(chuàng)新地解決化學(xué)實驗中的問題(方案I)，教學(xué)生初步學(xué)會利用數(shù)據(jù)，去粗取精、去偽存真(方案II)，培養(yǎng)創(chuàng)新設(shè)計和解決問題的能力，完全符合新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。

［試題點評］

1.聯(lián)系生活，貼近教學(xué)實際

將化學(xué)學(xué)習(xí)中碰到的問題與生活常識與化學(xué)知識完美結(jié)合，生活中吸水性強(qiáng)的物質(zhì)是學(xué)生具有的常識，在高溫時又不會發(fā)生其他干擾本實驗的化學(xué)反應(yīng)，是基礎(chǔ)的化學(xué)知識，結(jié)合起來可解決實驗探究中遇到的問題。(方案1)

2.重視基礎(chǔ)，從基礎(chǔ)中創(chuàng)新

人教版新教材選修《實驗化學(xué)》中這樣敘述：“美國阿波羅登月計劃”總指揮韋伯在“阿波羅”登月成功后曾說：“阿波羅計劃”中沒有一項新發(fā)明的技術(shù)，關(guān)鍵是現(xiàn)成的技術(shù)，關(guān)鍵在于綜合。綜合也是創(chuàng)新……，綜合利用學(xué)生已掌握的各種知識和技能，可以嘗試實驗設(shè)計上的“創(chuàng)新”。鐵和水蒸氣在高溫時能發(fā)生反應(yīng)，是本節(jié)的基礎(chǔ)知識，方案II表格中的數(shù)據(jù)，各物質(zhì)在加熱時能夠產(chǎn)生反應(yīng)中需要的水蒸氣也是學(xué)生已有的基礎(chǔ)知識，將二者和本實驗的儀器、原理相結(jié)合，設(shè)計出創(chuàng)新的實驗探究方案，就是在基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，符合課程改革的精神。

3.重視分析數(shù)據(jù)的能力培養(yǎng)

方案II的表格中，分別給出了8種物質(zhì)在加熱時能產(chǎn)生水蒸氣的溫度，在分析這些數(shù)據(jù)時，必需仔細(xì)讀出反應(yīng)是在高溫時才能發(fā)生的關(guān)鍵含意，因此加熱時產(chǎn)生水蒸氣的溫度較高時，對反應(yīng)才有利，試題注意了培養(yǎng)學(xué)生去偽存真、遴選、甄別數(shù)據(jù)的能力。

4.定性與定量相結(jié)合

實驗探究方案設(shè)計的初衷是為了完成定性要求，而本小題中對于產(chǎn)生水蒸氣的固體物質(zhì)和鐵粉的質(zhì)量關(guān)系的求解，則是將定性實驗與定量實驗相結(jié)合。需從實驗涉及到的兩個基本反應(yīng)中尋求關(guān)系，將學(xué)生在能力上的要求提高到一個新的層次。

5.具有一定的開放性，力求提升學(xué)生的思維質(zhì)量

試題2、3的第一、二空的答案的設(shè)計有一定的開放程度，有意設(shè)置了一定的干擾信息，意在提高學(xué)生答題時的思維質(zhì)量。解答時具有批判性思維，在批判中有創(chuàng)新，避免簡單的機(jī)械組合。

6.源于教材、高于教材

試題取材于教材實驗，用實驗存在的問題作為試題的自然生長點，不偏、不怪、又不是教材實驗的簡單再現(xiàn)，源于教材而又高于教材，避免了“照方抓藥”、“依葫蘆畫瓢”式的驗證實驗，對于教材實驗有著質(zhì)量的升華。

［解答思路］

重要的是發(fā)現(xiàn)和提出問題，本題以問題為起點，環(huán)環(huán)相扣，解析如下：

1.本小題純粹是基礎(chǔ)知識的再現(xiàn)，屬于簡單識記內(nèi)容, 也是面向全體學(xué)生的部分, 容易得出答案。

2.第一填空有意將原教材演示實驗中用的燃瓶給出作為干擾信息，要求學(xué)生讀題時讀出“反應(yīng)器”的關(guān)鍵詞，同時題干中已分析出燒瓶體積太大，且燒瓶也不能用來直接加熱固體，就可選出b、d或(c、d)的答案，第二填空是在第一填空的基礎(chǔ)上遞進(jìn)，增加了干燥和點燃部分的儀器，干擾信息是玻璃彎管，答案為b、d、e、f或(c、d、e、f)，這兩填空均有一定的開放性。第三、四填空都是結(jié)合初中知識，氫氣點燃時要避免其中混有空氣發(fā)生爆炸的危險。

3.第一填空設(shè)置了干擾信息c、d，學(xué)生的生活知識中應(yīng)該知道棉花和泡沫塑料在高溫時要發(fā)生影響本實驗的反應(yīng)，并干擾實驗的完成而不利于檢驗氫氣的存在, 故答案是a、b、e中任選兩個即可；第二、三填空是考查學(xué)生處理和遴選數(shù)據(jù)的能力，要分析表格中所給物質(zhì)產(chǎn)生水蒸氣的溫度，因為本實驗是要在高溫下鐵才能和水蒸氣反應(yīng)，所以應(yīng)該選擇在較高溫度下產(chǎn)生水蒸氣的物質(zhì)來和鐵粉混和。

4.是將實驗的定性和定量相結(jié)合，來選擇理想狀態(tài)下的固體質(zhì)量比。答案：1. 3Fe+4H₂O=Fe₃O₄+4H₂↑

2. b、d或(c、d)；b、d、e、f或(c、d、e、f)；b.如果選a，反應(yīng)剛開始時，產(chǎn)生的氫氣中可能會有空氣，點燃時會爆炸，如果選C，反應(yīng)即將結(jié)束時，產(chǎn)生的氫氣量少，不易點燃。

3. a、b、e中任選兩種，Ca(OH)₂或Mg(OH)₂；加熱時產(chǎn)生水蒸氣的溫度較高，易和鐵粉反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。

4.由反應(yīng)：Ca(OH)₂=CaO+H₂O↑, 3Fe+4H₂O=Fe₃O₄+4H₂↑, 可得出關(guān)系式： 3Fe=4Ca(OH)₂, m(Fe)/m[Ca(OH)₂] = 3×56/4×74=21/37；同理，如果選用Mg(OH)₂， 3Fe=4Mg(OH)₂， m(Fe)/m[Mg(OH)₂]=3×56/4×58=21/29，氫氧化物加熱時產(chǎn)生的水蒸氣剛好和鐵粉完全反應(yīng)。

本文為四川省教育廳資助項目《中學(xué)化學(xué)教學(xué)論實驗與中學(xué)教師實驗探究創(chuàng)新成果結(jié)合的研究》成果之一。

參考文獻(xiàn)：

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[4]陳新智.鐵與水反應(yīng)的實驗探究[J].化學(xué)教學(xué)，2004(12),15-16.