儲水方式不同的植物器官在“鐵與水蒸氣反應(yīng)”實(shí)驗中的應(yīng)用

伏勁松+李勝+彭蜀晉+張艷華

摘要：為比較儲水方式不同的植物葉、莖在“鐵與水蒸氣的反應(yīng)”中的實(shí)驗效果，拓寬該實(shí)驗供水劑的選擇范圍，選擇蘆薈葉、芭蕉莖兩種不同儲水形式的富水植物器官作為供水劑進(jìn)行實(shí)驗。實(shí)驗結(jié)果表明兩類富水植物器官均可作為該反應(yīng)的供水劑；蘆薈葉的供水效果較好，實(shí)驗裝置更簡單，實(shí)驗演示持續(xù)的時間更長。

關(guān)鍵詞：鐵與水蒸氣反應(yīng)；富水植物；植物儲水方式；實(shí)驗探究

文章編號：1005–6629（2017）5–0063–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題提出

“鐵與水蒸氣的反應(yīng)”是高中化學(xué)教材中的重要反應(yīng)。發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗在一線教師實(shí)際教學(xué)演示中存在實(shí)驗現(xiàn)象不明顯、重現(xiàn)性差，同時在試管口有大量的水蒸氣冷凝造成水倒流易炸裂試管等缺陷[1～4]。

針對實(shí)驗中供水的問題，我們曾利用富水植物西紅柿作為供水劑代替教材實(shí)驗中的濕棉花，收到了良好的效果。一是實(shí)驗現(xiàn)象非常明顯，釋放的水量穩(wěn)定適量，在試管口沒有大量水蒸氣凝結(jié)，解除了其他供水劑在此方面的困惑；二是重現(xiàn)性很好[5]。在后續(xù)的研究中我們發(fā)現(xiàn)西紅柿等作為供水劑主要提供的是細(xì)胞液中的水，細(xì)胞壁破裂后釋放出細(xì)胞液中的水，在實(shí)驗溫度下產(chǎn)生水蒸氣與鐵粉反應(yīng)。其他不同儲水方式的植物比如蘆薈葉——水儲存在細(xì)胞液中，同時在細(xì)胞受到損傷時還分泌許多粘液質(zhì)，粘液質(zhì)可以暫時儲水，水不至于立即揮發(fā)；還有一類植物水除了儲存在細(xì)胞液中以外，還有部分水儲存在維管束中（維管束是植物輸水的器官，具有暫時儲存水的功能），比如芭蕉莖、野葡萄藤等。這些植物是否可以作為鐵與水蒸氣反應(yīng)的供水劑？在供水方面有何差別？在實(shí)驗中怎樣實(shí)施呢？

為此我們進(jìn)行了相關(guān)的文獻(xiàn)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該問題的研究尚未見報道。因此本實(shí)驗選擇蘆薈葉與芭蕉莖作為供水劑進(jìn)行比較研究，以期為一線教師對該成果的利用提供科學(xué)的依據(jù)。

2 蘆薈葉作供水劑的實(shí)驗效果比較

2.1 實(shí)驗儀器和藥品

酒精燈、帶鐵夾的鐵架臺、試管、蒸發(fā)皿、火柴、蘆薈葉1片、鐵粉、肥皂水、托盤天平

2.2 實(shí)驗裝置圖

蘆薈葉作供水劑的“鐵與水蒸氣反應(yīng)”的實(shí)驗裝置圖，見圖1。

2.3 對比實(shí)驗

為了驗證蘆薈葉在實(shí)驗條件下能否產(chǎn)生可燃?xì)怏w而對本實(shí)驗造成干擾，設(shè)計了該對比實(shí)驗。對比實(shí)驗的裝置、操作步驟等與如下“2.4教學(xué)實(shí)驗”中的情況一致，只是不加入鐵粉。實(shí)驗證明：蘆薈葉在本實(shí)驗條件下自身不產(chǎn)生可燃性氣體。

2.4 教學(xué)實(shí)驗

（1）按圖1組裝好儀器，并檢查裝置的氣密性。氣密性良好，開始后續(xù)步驟。

（2）在試管底部加入約5g蘆薈葉的小塊狀去皮內(nèi)容物，在離蘆薈葉1～2cm處用藥匙加入約5g鐵粉平鋪在試管中。試管口略向上傾斜或者平放，用帶導(dǎo)管的單孔橡膠塞塞緊，并將導(dǎo)氣管出口伸入肥皂液中。

（3）用罩有鐵絲網(wǎng)（防風(fēng)罩）的酒精燈對試管預(yù)熱，然后對鐵粉集中加熱。開始加熱時蘆薈葉慢慢變軟，伴有少量粘稠液體滲出，隨著加熱的持續(xù)進(jìn)行，滲出液沸騰，產(chǎn)生水蒸氣，鐵粉隨著溫度的升高漸漸變黑，同時導(dǎo)氣管口有氣泡冒出。隨著反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，肥皂泡越聚越多，用火柴能點(diǎn)燃該氣泡，同時能觀察到肥皂泡脫離肥皂液升向空中。該反應(yīng)能持續(xù)15分鐘，試管口有少量的水蒸氣冷凝，所使用的多肉植物蘆薈葉水分減少，能明顯地觀察到葉子失水萎縮，無變黑變焦的現(xiàn)象產(chǎn)生。

3 芭蕉莖作供水劑的實(shí)驗效果比較

3.1 實(shí)驗儀器和藥品

酒精燈、帶鐵夾的鐵架臺、具支試管、蒸發(fā)皿、火柴、芭蕉莖、鐵粉、肥皂水、托盤天平

3.2 實(shí)驗裝置圖

芭蕉莖作為供水劑的“鐵與水蒸氣反應(yīng)”實(shí)驗裝置圖見圖2。

3.3 對比實(shí)驗

為了驗證芭蕉莖在實(shí)驗條件下能否產(chǎn)生可燃?xì)怏w而對本實(shí)驗造成干擾，設(shè)計了該對比實(shí)驗。對比實(shí)驗的裝置、操作步驟等和如下“3.4教學(xué)實(shí)驗”中的情況一致，只是不加入鐵粉。實(shí)驗證明：芭蕉莖在本實(shí)驗條件下自身不產(chǎn)生可燃性氣體。

3.4 教學(xué)實(shí)驗

用芭蕉莖作供水劑時，將圖1實(shí)驗裝置進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗裝置見圖2，主要改進(jìn)的地方是將試管換成具支試管，實(shí)驗時將具支試管的支口朝下，且整支試管略微向下傾斜，其主要目的是讓產(chǎn)生的多余的水從支管口流出。

（1）按圖2組裝好儀器并檢驗裝置的氣密性。氣密性良好開始實(shí)驗。

（2）在試管底部裝入約8g左右的芭蕉莖，試管口略微向下，待試管口沒有液體下滴時用小藥匙在距離芭蕉莖1～2cm的地方加入約6g鐵粉，鋪平，塞緊橡膠塞，并將導(dǎo)氣管伸入盛有肥皂水的蒸發(fā)皿中。

（3）用帶防風(fēng)罩的酒精燈對試管預(yù)熱，然后在盛放鐵粉的地方集中加熱。加熱約1分鐘能觀察到芭蕉莖滲出的液體沸騰，管口有大量的水蒸氣冷凝。冷凝的水蒸氣從具支試管的支管口流入到蒸發(fā)皿中，蒸發(fā)皿中的液面明顯上升，鐵粉未見變黑。大約3分鐘左右觀察到大量的肥皂泡產(chǎn)生，用火柴能點(diǎn)燃肥皂泡，觀察到少量的肥皂泡脫離液面升向空中，同時觀察到鐵粉變黑。加熱約8分鐘左右，不再產(chǎn)生氣泡，芭蕉莖變干。

4 實(shí)驗比較討論

4.1 實(shí)驗條件的比較

（1）蘆薈葉和芭蕉莖本身在加熱的過程中并不產(chǎn)生可燃?xì)怏w，對該實(shí)驗不造成干擾，通過對比實(shí)驗可得以驗證。

（2）加熱方式相同，都對鐵粉集中的地方進(jìn)行加熱，利用余熱對供水劑加熱。不宜用酒精燈對供水劑部分直接進(jìn)行加熱，這樣造成水的釋放過量，在試管的前端造成水蒸氣的大量冷凝，易倒流炸裂試管，同時也易使供水植物碳化，對后續(xù)試管的洗滌帶來不便。在實(shí)驗中還發(fā)現(xiàn)如果用酒精噴燈對植物供水劑進(jìn)行加熱，細(xì)胞受熱過快，細(xì)胞迅速膨脹、裂開，噴出水蒸氣，直接沖開橡膠塞，此現(xiàn)象芭蕉莖比蘆薈葉更明顯。

（3）實(shí)驗裝置不同，蘆薈葉采用普通試管，且管口可略微朝上或平放，芭蕉莖則采用具支試管且管口朝下。主要是因為這兩種供水劑的供水原理不完全一樣，造成供水的多少不一樣，芭蕉莖短時間內(nèi)供水過量，所以采用具支試管。

4.2 供水原理

芭蕉莖的供水原理與蘆薈葉的供水原理有相同的地方，但也有區(qū)別。芭蕉莖中水儲存可以分成兩部分，一部分是儲存在細(xì)胞液中的水與蘆薈葉一樣，另一部分是儲存在維管束中的水。儲存在維管束中的水量大，同時隨著維管束的破裂水易于流出，其釋放速度較細(xì)胞液中的水快，在本文第3部分的實(shí)驗中能得到明顯的體現(xiàn)。而在鐵與水蒸氣的反應(yīng)中能夠有效供水的是細(xì)胞液中的水，其原因在于，維管束中的水以自由流動的形式存在，在加熱時就開始蒸發(fā)，溫度達(dá)到100℃時集中蒸發(fā)。由于有這種形式的水存在對試管溫度的繼續(xù)升高也帶來了困難，只有當(dāng)水全部蒸發(fā)時，試管的溫度才會持續(xù)上升到反應(yīng)所需的高溫。

蘆薈葉的水主要儲存在細(xì)胞液中，加熱時細(xì)胞受熱破裂，水逐步釋放，同時蘆薈葉還分泌粘液質(zhì)，粘液質(zhì)對蘆薈液釋放過多的水具有暫時儲存的作用，因此在實(shí)驗中水的釋放適量且穩(wěn)定，不會造成水的集中蒸發(fā)而過量。

4.3 實(shí)驗優(yōu)勢的比較

（1）選擇蘆薈葉等做本實(shí)驗，實(shí)驗重現(xiàn)性好，有利于課堂演示。

（2）實(shí)驗所含的知識涉及到植物學(xué)中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、植物儲水和輸水的方式以及鐵與水的化學(xué)反應(yīng)等，非常適宜于學(xué)科之間的綜合教學(xué)，符合教育發(fā)展的趨勢。

（3）實(shí)驗持續(xù)的時間有差別，芭蕉莖實(shí)驗持續(xù)的時間較蘆薈葉持續(xù)的時間短，但對于課堂演示實(shí)驗兩者都能滿足要求。

綜上所述，利用不同儲水方式的植物器官作為供水劑，對于細(xì)胞液儲水豐富且能分泌粘液質(zhì)的富水植物其供水效果比維管束儲水的富水植物優(yōu)越；維管束儲水的富水植物更有利于學(xué)科綜合教學(xué)。實(shí)驗持續(xù)的時間都能滿足課堂演示的需要，實(shí)驗現(xiàn)象明顯。因此建議一線教師從不同的實(shí)驗?zāi)康某霭l(fā)可選擇性地加以利用。

參考文獻(xiàn)：

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