鐵粉與水蒸氣反應的實驗設計與改進

張艷紅　匡傳榮

摘要：人教版教材中鐵與水蒸氣實驗是鐵作為活潑金屬的有力證據(jù)，但按教材的實驗設計進行操作成功率不高。經反復實驗探究，通過采用膠頭滴管作為水源，脫脂棉作為水的載體，改進的實驗裝置簡單、實驗操作方便安全，實驗現(xiàn)象明顯，成功率更高。

關鍵詞：鐵粉；水蒸氣；水源

文章編號：1008-0546（2015）03-0088-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

一、問題提出背景

人教版高中《化學1》第三章第一節(jié)“金屬的性質”中“鐵與水蒸氣反應”的實驗[1]，實驗裝置包括水蒸氣發(fā)生裝置、鐵粉與水蒸氣反應裝置、氫氣檢驗裝置三個部分。筆者按照教材的實驗裝置經過反復實驗發(fā)現(xiàn)原實驗棉花碳化現(xiàn)象嚴重、產生的氫氣量少，實驗現(xiàn)象非常不明顯，實驗成功率很低。分析原因發(fā)現(xiàn)該實驗是固體鐵粉與氣態(tài)水蒸氣的氣固異相反應，該反應難度較大；其次水蒸氣遇冷極易液化難以參加反應。具體來說就是濕棉花提供的水蒸氣還未與鐵粉反應就已擴散，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驗成敗的決定因素。目前針對該實驗的改進方案頗多，主要集中在水蒸氣的發(fā)生，改進思路包括兩方面。一是實驗藥品的選用，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。上述改進方法通過改變水的載體，達到了預期的實驗目的。但在實際教學過程中教師需要對新引入的載體如紅磚、沙子、粉末等具體的成分，在反應過程中各物質的變化，分解溫度等問題進行必要的解釋和討論，從而加重了學生的學習負擔，也沖淡了本實驗的實驗目的。二是水蒸氣發(fā)生裝置儀器的改進。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，但同時水蒸氣冷凝的面積也增加，水蒸氣產生的效率實質并沒有增加。用注射器提供水源理論可行，但實際操作時由于注射器推動阻力大，使注射器內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溫度需要較高溫度，加熱時間長，對酒精燈要求高，增加了實驗裝置的復雜性。

二、本文改進思路和優(yōu)點

筆者針對上述2類改進實驗方法中的存在的弊端，設想從水蒸氣發(fā)生裝置、反應裝置上完善實驗的改進，具體改進思路和優(yōu)點分述如下：

（1） 水蒸氣發(fā)生裝置采用膠頭滴管作為水源。在教材原實驗采用濕棉花的基礎上增加膠頭滴管，同時采用普通的酒精燈而非酒精噴燈就能獲得非常明顯的實驗現(xiàn)象。其次，反應的持續(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生水蒸氣，與高溫鐵粉接觸，產生較多氫氣，實驗現(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進度，使實驗更具持續(xù)性與可控性；最后用膠頭滴管不斷補充水源，避免了干棉花加熱焦化，污染環(huán)境。

（2） 采用硬質中通玻璃管反應裝置，實驗儀器選用回歸常規(guī)化，貼近高中實驗室條件的現(xiàn)實。

（3） 采用脫脂棉作為載體，實驗安全性強。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） 實驗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本質，避免了學生理解其他物質提供水源時產生的較多的認知負荷，適用于課堂演示實驗。

（5） 實驗現(xiàn)象明顯，成功率高。實驗不僅能夠產生連環(huán)泡珠似的大量氣泡，點燃發(fā)出尖銳的爆鳴聲，而且將尖嘴尖端的氣泡引向空中時能在空中點燃，從視覺和聽覺兩個方面增加實驗的趣味性。用改進后的實驗裝置做實驗成功率很高，避免了課堂演示實驗失敗的尷尬局面。

三、實驗改進方案

[實驗名稱] 鐵粉與水蒸氣反應的實驗設計與改進

[實驗目的] 通過鐵粉能與水蒸氣反應的實驗認識到鐵單質是一種活潑的金屬，學會通過實驗現(xiàn)象培養(yǎng)學生分析推理的邏輯思維能力。

[實驗儀器與試劑]

硬質中通玻璃管、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。

[實驗原理]

3Fe+4H2O（g）[=][△]Fe3O4+4H2

[實驗裝置圖]

[實驗操作]

（1） 按實驗裝置圖組裝實驗儀器，檢查裝置氣密性。

（2） 向硬質玻璃管中添加3-4藥匙還原鐵粉，并用紙槽送入硬質中通試管，使其平鋪于試管；靠近鐵粉左端加一團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)皿倒入適量已準備好的肥皂液備用。

（4） 先用酒精燈預熱硬質中通試管，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。當液面聚集較多氣泡時，移開玻璃尖嘴口，用燃著的竹簽靠近氣泡，當聽到“噗”的一聲，證明產生的氣體是氫氣。

（6） 實驗結束，先從肥皂液中撤出玻璃尖嘴，再移去酒精燈并熄滅酒精燈。

[實驗注意事項]

（1） 加熱一段時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發(fā)生倒吸。

（2） 肥皂液不宜太稀，否則吹起的氫氣泡太小，點燃時難以有較大的響聲。

（3） 實驗結束時應先從肥皂液中撤出導管，再移去燃著的酒精燈。

參考文獻

[1] 宋心琦主編. 普通高中化學課程標準實驗教科書·化學1 [M]. 北京：人民教育出版社，2007： 2

[2] 曹義科.鐵與水蒸氣反應實驗的創(chuàng)新改進[J].教學儀器與實驗，2014，（10）：43

[3] 賴陸鋒.李春燕.鐵與水蒸氣反應的實驗改進[J]].化學教育，2008，（3）：63

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

[5] 成志高.鐵與水蒸氣反應實驗的新設計[J]].中學化學教學參考，2014，（1）：48

[6] 陳新智.鐵跟水反應的實驗探究[J]].化學教學，2004，（12）：15

[7] 劉英杰.鐵粉與水蒸氣實驗改進新法[J]].化學教學，2010，（11）：12