有關(guān)鐵在氧氣中燃燒實(shí)驗(yàn)問(wèn)題探析*

潘國(guó)榮 陳正美

（貴州省雷山縣第三中學(xué) 貴州 雷山 557199）

鐵在氧氣中燃燒實(shí)驗(yàn)是初中化學(xué)的一個(gè)重要的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，也是一個(gè)難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，涉及到氧氣和鐵兩種單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)?？此坪?jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，卻蘊(yùn)含著豐富的知識(shí)與技能內(nèi)涵。下面以問(wèn)題的形式進(jìn)行探析。

一、鐵在空氣中能燃燒嗎？

燃燒是物質(zhì)發(fā)生發(fā)光、發(fā)熱的劇烈的化學(xué)反應(yīng)。通常需要具備：足量的可燃物與助燃劑、溫度達(dá)到著火點(diǎn)。這三個(gè)條件同時(shí)滿足才能產(chǎn)生燃燒現(xiàn)象。這里的溫度，不一定是環(huán)境的溫度，可以是環(huán)境提供熱能或反應(yīng)提供熱能積累達(dá)到的溫度。

劉蕊和丁偉［1］將還原性鐵粉灑向煤氣燈的燈焰，鐵粉顆粒與燈焰接觸后，產(chǎn)生明亮火星。在地上鋪一張報(bào)紙，在空氣中傾倒試管中的納米鐵粉?？吹剑旱钩鰜?lái)的鐵粉在空氣中自發(fā)出現(xiàn)紅熱現(xiàn)象，落在報(bào)紙上可將報(bào)紙引燃。徐昌學(xué)［2］老師把鐵粉灑在膠布的沾膠面上，在空氣中點(diǎn)燃膠布，抖動(dòng)膠布，可以看到白光閃閃，很多白光點(diǎn)往下落，現(xiàn)象十分明顯。由此可見(jiàn)，很細(xì)的鐵粉在空氣中與氧氣反應(yīng)是可以產(chǎn)生燃燒的現(xiàn)象，但不是持續(xù)燃燒。

純鐵的熔點(diǎn)［3］是 1530℃、沸點(diǎn)是 3000℃，很高。 生鐵的含碳量 2%～4.3%，熔點(diǎn)是 1100℃～1300℃。鋼的含碳量 0.03～2%，熔點(diǎn)是 1300℃～1500℃。 氧氣在與鐵反應(yīng)時(shí)，只能擴(kuò)散在鐵表面上進(jìn)行，其燃燒形式是表面燃燒［1］。鐵絲由于表面積小，空氣中氧氣含量低，使鐵絲與氧氣反應(yīng)不劇烈，不能產(chǎn)生燃燒現(xiàn)象。

二、鐵絲在氧氣中燃燒為什么會(huì)火星四射？

木炭在氧氣中燃燒產(chǎn)生火星四射的現(xiàn)象，原因是由于木炭?jī)?nèi)部的碳燃燒產(chǎn)生氣體，氣體體積在受熱時(shí)膨脹，使固體或液體向四周飛濺形成爆裂物造成的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)用的鐵絲通常并不是純凈的鐵，而是含有一定量的碳及微量的硫、磷等。鐵燃燒時(shí)，鐵里的碳會(huì)與氧氣或熔融狀態(tài)的鐵的氧化物反應(yīng)生成一氧化碳與二氧化碳?xì)怏w，這些氣體在一千多度的高溫下體積急劇膨脹，推動(dòng)其周圍呈熔融狀態(tài)的鐵及其氧化物向四周飛濺，因此，就有了火星四射的現(xiàn)象產(chǎn)生。含碳量越高的鐵（或鋼）絲，火星四射越明顯［4－8］。

純凈的鐵燃燒時(shí)沒(méi)有氣體生成，是沒(méi)有火星四射現(xiàn)象的。許多老師把火星四射的程度作為衡量鐵絲燃燒成功與否的標(biāo)志，這是錯(cuò)誤的觀念。從生鐵及其合金的熔點(diǎn)來(lái)看，由于含碳量高，熔點(diǎn)降低，更容易熔化而增加與氧氣的接觸面，并且有氣體的推動(dòng)使反應(yīng)變得容易和劇烈，所以用生鐵或鋼做鐵在氧氣中燃燒更容易成功。這是許多老師通過(guò)實(shí)驗(yàn)所證實(shí)了的。

三、鐵在氧氣中燃燒掉下或飛濺出的黑色固體物質(zhì)是什么？

鐵的氧化物在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的生成焓［9］是：FeO為272.04 kJ·mol－1，F(xiàn)e2O3為 825.5kJ·mol－1，F(xiàn)e2O3·H2O 為1117.96 kJ·mol－1，F(xiàn)e3O4為 1118.4kJ·mol－1。 從標(biāo)準(zhǔn)生成焓來(lái)看，鐵在潮濕空氣中與氧氣和水反應(yīng)生成Fe2O3·H2O時(shí)，在能量上是最有利的。所以，我們不難理解，在常溫下，在潮濕空氣中鐵生銹時(shí)，主要產(chǎn)物是Fe2O3·H2O（當(dāng)然，鐵銹的成份要復(fù)雜得多）了。

鐵的氧化物的熔點(diǎn)［3］是：FeO 為 1420℃，F(xiàn)e2O3為1560℃并分解，F(xiàn)e3O4為1594℃并分解。從鐵的氧化物熔點(diǎn)推知，由于FeO的熔點(diǎn)低，當(dāng)氧氣與鐵反應(yīng)時(shí)，首先生成FeO，由于FeO熔化后與氧氣接觸面增大，會(huì)進(jìn)一步與氧氣反應(yīng)生成Fe2O3，隨著溫度升高Fe2O3會(huì)分解生成 Fe3O4。 吳國(guó)慶［10］教授、鞠東勝與王金龍［11］老師等用熱力學(xué)計(jì)算的方法也證明，鐵在氧氣中燃燒最后產(chǎn)物應(yīng)該是Fe3O4。Fe3O4的熔點(diǎn)比鐵高，因此，熔融的Fe3O4會(huì)夾雜著液態(tài)鐵一起飛濺或落下。這個(gè)結(jié)論已經(jīng)被許多老師［4－5］用實(shí)驗(yàn)所證實(shí)了。

四、多粗的鐵絲可以在氧氣中燃燒？

從多位老師的實(shí)驗(yàn)［8，12－15］探究結(jié)果看， 從小于0.18mm大到2.0 mm的鐵絲都能夠在氧氣里燃燒，通常是 0.2－0.5 mm 比較合適。細(xì)鐵絲通常要用 2－3根擰在一起才不容易燃燒熔斷，連續(xù)燃燒時(shí)間長(zhǎng)；太粗的鐵絲不容易引燃，需要氧氣也多，實(shí)驗(yàn)成功率低。

五、鐵絲繞成螺旋狀的目的是什么？

許多人［5，12，15］認(rèn)為，鐵絲繞成螺旋狀的原因是：“使后面的鐵絲更靠近燃燒點(diǎn)去吸收熱量，從而被引燃；增大與氧氣的接觸面積，使反應(yīng)更容易進(jìn)行”及其類似的觀點(diǎn)。其實(shí)，這種解釋是不可靠的。同一根鐵絲固體的表面積是固定的，不會(huì)因?yàn)槔@成螺旋狀而增加，相反，如果繞得過(guò)于緊密讓鐵表面接觸，反而降低了與氧氣的接觸面積。

細(xì)鐵絲燃燒時(shí)，反應(yīng)非常劇烈，向上上升速度太快，在觀察的同時(shí)，還必須快速向集氣瓶里不斷伸入細(xì)鐵絲才不容易熄滅。使用坩堝鉗或攝子夾持鐵絲，操作起來(lái)不容易協(xié)調(diào)、難度大，不容易掌握和控制。鐵絲繞成螺旋狀后，燃燒上升速度減慢，容易控制，便于觀察。李奇［15］老師為此設(shè)計(jì)三組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。因此，鐵絲繞成螺旋狀的目的應(yīng)該是：“防止細(xì)鐵絲因燃燒劇烈而迅速上升到集氣瓶?jī)?nèi)氧氣低濃度區(qū)而熄滅，利于操作和觀察。”

六、如何引燃鐵絲？

鐵的熔點(diǎn)很高，而且是熱的良導(dǎo)體，其著火點(diǎn)又是很高的，因此，通常要用其它可燃物與氧氣劇烈反應(yīng)釋放熱量來(lái)使鐵達(dá)到著火點(diǎn)。引燃鐵絲的方法有多種，教材與老師們改進(jìn)報(bào)道出來(lái)的有以下幾種：（1）直徑小于0.18 mm的細(xì)鐵絲 （如紗窗鐵絲），打磨光亮后，加熱到紅熱時(shí)立即放入氧氣中即可燃燒［14，16］；（2）一般情況下按課本裝置用火柴引燃；（3）有改進(jìn)用酒精或無(wú)水乙醇引燃的［17－18］；（4）有用木炭引燃的［8，19］；（5）有用鎂條引燃的［13］。

七、如何防止鐵絲在氧氣中燃燒時(shí)熔融物落下燒裂集氣瓶底？

鐵絲在氧氣中燃燒非常劇烈，熔融物的溫度達(dá)到1500℃以上，這樣高溫的物體直接落到瓶底與玻璃接觸，會(huì)造成玻璃瓶底受熱不均而炸裂。按照教材的方法，可以在瓶底鋪一層細(xì)沙或盛1cm深度以上的水，防止高溫熔觸物直接與玻璃瓶底接觸。但是不容操作，效果也不是很好。為此，胥光勇［12］老師用濕的硬紙片卡在瓶底作了改進(jìn)，效果較好。嚴(yán)志平與吳就良［20］老師設(shè)計(jì)用燃燒匙接住熔融物來(lái)輔助水的作用一起，以確保瓶底不燒裂。

八、是否一定要用坩堝鉗或鑷子夾持鐵絲？

規(guī)范的操作是應(yīng)該用坩堝鉗或攝子夾持鐵絲的。但是，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于情緒不穩(wěn)定，用坩堝鉗或鑷子夾持鐵絲時(shí)，容易抖動(dòng)不穩(wěn)，經(jīng)常出現(xiàn)把鐵絲抖出瓶口或接觸瓶壁，甚至直接抖落到瓶底的現(xiàn)象。為了便于操作成功，建議取長(zhǎng)一點(diǎn)的鐵絲做實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直接用手拿住鐵絲的一端進(jìn)行操作。

九、是否一定要把鐵絲打磨光亮？

部分老師［4，16］和我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，細(xì)鐵絲表面有一些油漆或少量銹點(diǎn)，并不影響鐵絲燃燒的實(shí)驗(yàn)效果。因此，一般情況下，可以直接使用不打磨的鐵絲進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，如果鐵絲銹斑面積太大，封住鐵絲的表面太長(zhǎng)，就會(huì)影響燃燒的效果了。通常，為了確保實(shí)驗(yàn)效果，就要把鐵絲打磨光亮一些。

十、鐵絲在氧氣中燃燒是否一定要純氧？

根據(jù)喬金鎖與劉冷［8］老師的研究，使用直徑 0.23mm鋼絲2根擰在一起、直徑0.20mm鐵絲3根擰在一起，在氧氣體積分?jǐn)?shù)為55%以上的集氣瓶中都可以燃燒。而直徑0.38mm鐵絲1根需要在氧氣體積分?jǐn)?shù)為60%以上的集氣瓶中才能夠燃燒。由此可見(jiàn)，鐵絲在氧氣中燃燒不需要純氧。鐵絲細(xì)，氧氣體積分?jǐn)?shù)低一些也可以燃燒；鐵絲越粗，燃燒需要氧氣體積分?jǐn)?shù)與總量就越高。

參考資料

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