鐵粉與水蒸氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

張艷紅 匡傳榮

（廣東省深圳市光明新區(qū)高級(jí)中學(xué) 廣東 深圳 518106）

一、問題提出背景

人教版高中《化學(xué)1》第三章第一節(jié)“金屬的性質(zhì)”中“鐵與水蒸氣反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)［1］，實(shí)驗(yàn)裝置包括水蒸氣發(fā)生裝置、鐵粉與水蒸氣反應(yīng)裝置、氫氣檢驗(yàn)裝置三個(gè)部分。筆者按照教材的實(shí)驗(yàn)裝置經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原實(shí)驗(yàn)棉花碳化現(xiàn)象嚴(yán)重、產(chǎn)生的氫氣量少，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常不明顯，實(shí)驗(yàn)成功率很低。分析原因發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)是固體鐵粉與氣態(tài)水蒸氣的氣固異相反應(yīng)，該反應(yīng)難度較大；其次水蒸氣遇冷極易液化難以參加反應(yīng)。具體來說就是濕棉花提供的水蒸氣還未與鐵粉反應(yīng)就已擴(kuò)散，遇冷的試管壁液化。所以保證足量的水蒸氣與鐵粉充分接觸是本實(shí)驗(yàn)成敗的決定因素。目前針對(duì)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案頗多，主要集中在水蒸氣的發(fā)生，改進(jìn)思路包括兩方面。一是實(shí)驗(yàn)藥品的選用，如將自來水改為吸水的紅磚粉末［2］、濕沙子［3］、粉筆碎屑或粉末、泡沫塑料、Mg（OH）2、Ca（OH）2［4］、膽礬［5］等。上述改進(jìn)方法通過改變水的載體，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。但在?shí)際教學(xué)過程中教師需要對(duì)新引入的載體如紅磚、沙子、粉末等具體的成分，在反應(yīng)過程中各物質(zhì)的變化，分解溫度等問題進(jìn)行必要的解釋和討論，從而加重了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，也沖淡了本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹６撬魵獍l(fā)生裝置儀器的改進(jìn)。如將濕棉花改為用試管裝水［6］、注射器、銅槽、二頭酒精燈［7］等。試管裝水提供水蒸氣雖然增加了水蒸氣的量，但同時(shí)水蒸氣冷凝的面積也增加，水蒸氣產(chǎn)生的效率實(shí)質(zhì)并沒有增加。用注射器提供水源理論可行，但實(shí)際操作時(shí)由于注射器推動(dòng)阻力大， 使注射器內(nèi)的水較難推入到試管中。將鐵粉平鋪在銅槽上，避免鐵粉與玻璃管直接接觸，防止玻璃管炸裂，但是隔熱加熱鐵粉到反應(yīng)溫度需要較高溫度，加熱時(shí)間長，對(duì)酒精燈要求高，增加了實(shí)驗(yàn)裝置的復(fù)雜性。

二、本文改進(jìn)思路和優(yōu)點(diǎn)

筆者針對(duì)上述2 類改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法中的存在的弊端，設(shè)想從水蒸氣發(fā)生裝置、反應(yīng)裝置上完善實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，具體改進(jìn)思路和優(yōu)點(diǎn)分述如下：

（1） 水蒸氣發(fā)生裝置采用膠頭滴管作為水源。在教材原實(shí)驗(yàn)采用濕棉花的基礎(chǔ)上增加膠頭滴管，同時(shí)采用普通的酒精燈而非酒精噴燈就能獲得非常明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。其次，反應(yīng)的持續(xù)性和可控性好。采用的膠頭滴管不僅能夠保證有足量的水產(chǎn)生水蒸氣，與高溫鐵粉接觸，產(chǎn)生較多氫氣，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，而且也能通過控制膠頭滴管滴加的水量來控制反應(yīng)進(jìn)度，使實(shí)驗(yàn)更具持續(xù)性與可控性；最后用膠頭滴管不斷補(bǔ)充水源，避免了干棉花加熱焦化，污染環(huán)境。

（2） 采用硬質(zhì)中通玻璃管反應(yīng)裝置，實(shí)驗(yàn)儀器選用回歸常規(guī)化，貼近高中實(shí)驗(yàn)室條件的現(xiàn)實(shí)。

（3） 采用脫脂棉作為載體，實(shí)驗(yàn)安全性強(qiáng)。濕棉花一方面作為水源提供水蒸氣， 另一方面又吸水，吸收水蒸氣在試管左端冷凝形成的水珠，從而避免了水與試管的高溫部分直接接觸而造成的試管炸裂。

（4）實(shí)驗(yàn)藥品選用普通的自來水， 直觀有力地證明了鐵與水蒸氣的反應(yīng)本質(zhì)， 避免了學(xué)生理解其他物質(zhì)提供水源時(shí)產(chǎn)生的較多的認(rèn)知負(fù)荷，適用于課堂演示實(shí)驗(yàn)。

（5） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，成功率高。實(shí)驗(yàn)不僅能夠產(chǎn)生連環(huán)泡珠似的大量氣泡， 點(diǎn)燃發(fā)出尖銳的爆鳴聲，而且將尖嘴尖端的氣泡引向空中時(shí)能在空中點(diǎn)燃，從視覺和聽覺兩個(gè)方面增加實(shí)驗(yàn)的趣味性。用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置做實(shí)驗(yàn)成功率很高，避免了課堂演示實(shí)驗(yàn)失敗的尷尬局面。

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

［實(shí)驗(yàn)名稱］鐵粉與水蒸氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

［實(shí)驗(yàn)?zāi)康模萃ㄟ^鐵粉能與水蒸氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)到鐵單質(zhì)是一種活潑的金屬，學(xué)會(huì)通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象培養(yǎng)學(xué)生分析推理的邏輯思維能力。

［實(shí)驗(yàn)儀器與試劑］

硬質(zhì)中通玻璃管、酒精燈、膠頭滴管、蒸發(fā)皿、脫脂棉、橡膠塞、尖嘴管、橡膠管、竹簽，還原鐵粉、自來水、肥皂液。

［實(shí)驗(yàn)原理］

［實(shí)驗(yàn)裝置圖］

［實(shí)驗(yàn)操作］

（1）按實(shí)驗(yàn)裝置圖組裝實(shí)驗(yàn)儀器，檢查裝置氣密性。

（2） 向硬質(zhì)玻璃管中添加3－4 藥匙還原鐵粉，并用紙槽送入硬質(zhì)中通試管，使其平鋪于試管；靠近鐵粉左端加一團(tuán)已吸附較多水的脫脂棉（保證脫脂棉覆蓋在還原鐵粉上約1cm）， 將膠頭滴管吸滿自來水置于脫脂棉與鐵粉相交處。

（3） 向蒸發(fā)皿倒入適量已準(zhǔn)備好的肥皂液備用。

（4）先用酒精燈預(yù)熱硬質(zhì)中通試管， 然后加熱靠近脫脂棉但未與脫脂棉相交的鐵粉處，持續(xù)加熱1－2 min。加熱過程中緩慢擠壓膠頭滴管， 補(bǔ)充加熱揮發(fā)的水分，保證脫脂棉水分適中。

（5） 將玻璃尖嘴口插入蒸發(fā)皿的肥皂液。當(dāng)液面聚集較多氣泡時(shí)，移開玻璃尖嘴口，用燃著的竹簽靠近氣泡，當(dāng)聽到“噗”的一聲，證明產(chǎn)生的氣體是氫氣。

（6） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束， 先從肥皂液中撤出玻璃尖嘴，再移去酒精燈并熄滅酒精燈。

［實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)］

（1） 加熱一段時(shí)間后再將玻璃尖嘴插入肥皂液中，過早插入吹起的是空氣泡，也防止在開始加熱鐵粉時(shí)發(fā)生倒吸。

（2） 肥皂液不宜太稀， 否則吹起的氫氣泡太小，點(diǎn)燃時(shí)難以有較大的響聲。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)應(yīng)先從肥皂液中撤出導(dǎo)管，再移去燃著的酒精燈。

［1］宋心琦主編．普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1［M］．北京：人民教育出版社，2007： 2

［2］曹義科．鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新改進(jìn)［J］．教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2014，（10）：43

［3］賴陸鋒．李春燕．鐵與水蒸氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)［J］］．化學(xué)教育，2008，（3）：63

［4］黃菊．劉勝茂．鐵與水蒸氣反應(yīng)的研究［J］］．中學(xué)教學(xué)參考，2007，（92）：128

［5］成志高．鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)［J］］．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2014，（1）：48

［6］陳新智．鐵跟水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究 ［J］］．化學(xué)教學(xué)，2004，（12）：15

［7］劉英杰．鐵粉與水蒸氣實(shí)驗(yàn)改進(jìn)新法 ［J］］．化學(xué)教學(xué)，2010，（11）：12