細(xì)鐵絲在氧氣中燃燒的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)

陸君君

細(xì)鐵絲在氧氣中燃燒的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)

陸君君

（蘇州市第三十中學(xué)校 江蘇蘇州 215008）

簡述了初中化學(xué)教材中“鐵絲在氧氣中燃燒”實(shí)驗(yàn)的不足，對(duì)比了改進(jìn)前和改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)的狀況。

螺旋狀;細(xì)鐵絲;氧氣;燃燒;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、問題提出

上海教育出版社義務(wù)教育教科書，九年級(jí)上冊(cè)《化學(xué)》，P31頁“活動(dòng)與探究”中第3個(gè)實(shí)驗(yàn)“鐵絲在氧氣中的燃燒”，是驗(yàn)證性質(zhì)活潑的氧氣中一個(gè)重要的學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

相比較“活動(dòng)與探究”中1和2兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)存在一些實(shí)際困難，如對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的熟練度、收集到氧氣的純度體積、以及鐵絲伸入集氣瓶的時(shí)機(jī)等方面要求頗高。綜合這些因素，導(dǎo)致學(xué)生有時(shí)觀察不到鐵絲燃燒的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，或者“火星四射”持續(xù)時(shí)間很短，效果很不明顯。

針對(duì)這些問題，本人在一系列的對(duì)比實(shí)驗(yàn)后，對(duì)其進(jìn)行了如下分析和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1.實(shí)驗(yàn)儀器和用品

0.5 mm細(xì)鐵絲、酒精燈、坩堝鉗、集氣瓶（250mL）、玻璃片、燃燒匙、火柴、無水酒精、小燒杯。

2.鐵絲在氧氣中的燃燒的一般流程

（1）用排水集氣法集滿一瓶氧氣（瓶底預(yù)留部分水），水下蓋好玻璃片，正放桌面?zhèn)溆谩?/p>

（2）先將細(xì)鐵絲繞成螺旋狀（一般用玻璃棒將細(xì)鐵絲纏繞成螺旋狀），然后在末端系上火柴梗，另一端用坩堝鉗夾持住鐵絲。

（3）點(diǎn)燃酒精燈，將系上火柴梗的細(xì)鐵絲在酒精燈上引燃，待“火柴梗即將燃盡時(shí)”，將它們由上而下緩慢伸入集滿氧氣的集氣瓶中，并仔細(xì)觀察現(xiàn)象。

3.分析和改進(jìn)

【分析1】本實(shí)驗(yàn)，對(duì)氧氣純度和氧氣的體積要求較高。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，收集的氧氣純度和體積常因操作不當(dāng)而受到影響。原因有三。

原因一：引燃火柴梗后，鐵絲過早伸入，火柴燃燒消耗過多氧氣。

原因二：實(shí)驗(yàn)室用于收集氧氣的集氣瓶規(guī)格一般為125mL；本實(shí)驗(yàn)中瓶底還需要鋪沙或水，又會(huì)占據(jù)一部分體積，從這個(gè)數(shù)據(jù)來看，真正應(yīng)用于鐵絲燃燒的氧氣體積偏少。

（學(xué)生實(shí)驗(yàn)中，試管的規(guī)格一般為20mm×200mm的平口試管，這種規(guī)格決定了加入的高錳酸鉀的質(zhì)量一般不大于12g，約占試管體積的1/3，換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下氧氣的體積約為850mL。按照這個(gè)數(shù)據(jù)，兼顧考慮到制取和收集過程中損耗的氧氣，實(shí)驗(yàn)員提供學(xué)生實(shí)驗(yàn)的集氣瓶規(guī)格以125mL為主，也有用更小的60mL集氣瓶，一次制取過程最多能收集到2-3瓶氧氣。）

原因三：學(xué)生有時(shí)會(huì)用收集的第一瓶氧氣用于鐵絲燃燒實(shí)驗(yàn)，而第一瓶氧氣中常因含較多裝置中的空氣而影響了純度。

（根據(jù)蘇州市第十六中學(xué)的張鑄鋼老師在一師一優(yōu)課平臺(tái)分享的“2.1氧氣的制備和收集”一課中，用數(shù)字傳感器測(cè)得的研究數(shù)據(jù)表明：試管的規(guī)格一般為20mm×200mm的平口試管中放入約10g高錳酸鉀，待水槽中玻璃彎管口產(chǎn)生“連續(xù)氣泡，均勻冒出”現(xiàn)象約20秒之后，氧氣的純度才剛剛從21%左右開始上升，60秒后到達(dá)80%以上。）

【改進(jìn)1】集氣瓶改用250mL；或用排水集氣法收集的第二瓶氧氣（體積至少125mL），且盡快進(jìn)行鐵絲燃燒實(shí)驗(yàn)。

圖1 三種不同規(guī)格的集氣瓶對(duì)比

【分析 2】鐵絲繞成螺旋狀，主要是為了增大鐵絲的受熱面積，提高局部溫度。本人經(jīng)過不斷的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鐵絲的螺旋半徑越小，燃燒現(xiàn)象越容易發(fā)生，鐵絲的末端也更容易熔成球狀（比半徑大的螺旋熔成的球狀明顯大）。

【改進(jìn) 2】用燃燒匙的柄端纏繞，得到半徑更小的鐵絲螺旋。

圖2 用玻璃棒和燃燒匙柄端分別纏繞而成的螺旋狀鐵絲并系上火柴梗

圖3 燃燒匙柄端纏繞的螺旋狀鐵絲燃燒后末端熔成小球

【分析3】火柴是影響本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)不穩(wěn)定的因素，原因有二。

原因一：把握“火柴即將燃盡”的時(shí)機(jī)較難，常出現(xiàn)鐵絲進(jìn)入集氣瓶前，火柴已經(jīng)熄滅的現(xiàn)象。

原因二：引燃鐵絲后，火柴燃燒后的黑色固體常因反應(yīng)劇烈，而掉落集氣瓶底，影響了學(xué)生對(duì)鐵絲燃燒后產(chǎn)生的黑色生成物的判斷。

【改進(jìn)3】用無水酒精取代火柴梗引燃鐵絲。

圖4 是鐵絲浸潤無水酒精

圖5 引燃后發(fā)生燃燒的現(xiàn)象

4.鐵絲在氧氣中的燃燒——改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的流程

（1）排水法收集125mL或250mL氧氣（瓶底預(yù)留少量水）。

（2）先將鐵絲在燃燒匙柄端繞成螺旋狀之后，將鐵絲螺旋狀的一端少許浸沒在事先準(zhǔn)備好的小燒杯中的無水酒精內(nèi)。（浸沒部分不易超過螺旋狀長度的1/2，避免因酒精燃燒消耗過多氧氣。）

（3）點(diǎn)燃酒精燈，將浸過酒精的細(xì)鐵絲在酒精燈上直接引燃，同時(shí)微微移開玻璃片，立刻由上而下慢慢伸入集氣瓶中，鐵絲劇烈燃燒，火星四射，放出熱量，生成黑色固體物質(zhì)。

5.對(duì)鐵絲燃燒改進(jìn)實(shí)驗(yàn)后的再反思

本人在鐵絲燃燒實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，利用本校教研活動(dòng)的機(jī)會(huì)，組織組內(nèi)三位化學(xué)教師進(jìn)行改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐嘗試，并幫助分析實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中存在的問題和再次改進(jìn)的可能性。經(jīng)過分析和總結(jié)，關(guān)于鐵絲燃燒的改進(jìn)，我們得出如下的結(jié)論：

（1）對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)來說，氧氣的純度和體積必須有保證，這是首要因素。

（2）系火柴梗和浸潤無水酒精都是引燃鐵絲的方式，作用是維持鐵絲的溫度不低于著火點(diǎn)。最大的區(qū)別在于無水酒精引燃鐵絲后不會(huì)影響學(xué)生對(duì)黑色產(chǎn)物的判斷。

（3）螺旋狀的半徑大小對(duì)鐵絲燃燒發(fā)生的難易程度有一定影響，對(duì)鐵絲最終熔成小球的體積影響很大。

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的教學(xué)實(shí)踐

根據(jù)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)的原則：本人以蘇州市第三十中學(xué)校2016屆隨機(jī)三個(gè)班級(jí)的初三學(xué)生共計(jì)126人（理論上2人一組，極個(gè)別1人，或3人一組）進(jìn)行分組驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況數(shù)據(jù)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)分別以氧氣125mL和250mL，火柴梗式引燃鐵絲和無水酒精式引燃鐵絲兩個(gè)變量為切入點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的原始數(shù)據(jù)如下：

表1 火柴梗式引燃鐵絲、125mL氧氣組對(duì)照表

②“現(xiàn)象明顯”是指火星四射基本能射到集氣瓶內(nèi)壁上，且持續(xù)時(shí)間較長，鐵絲螺旋狀一端能熔成紅熱的球狀，或者在瓶底能發(fā)現(xiàn)小球狀黑色生成物；

③“現(xiàn)象不明顯”是指火星四射的范圍比較窄，持續(xù)時(shí)間不長，鐵絲熔成小球不十分明顯，或者在瓶底未能發(fā)現(xiàn)小球狀黑色生成物；

④“無現(xiàn)象”指基本觀察不到鐵絲燃燒的現(xiàn)象（下同）。

表2 無水酒精式引燃鐵絲、125mL氧氣組對(duì)照表

表3 火柴梗式引燃鐵絲、250mL氧氣組對(duì)照表

2.實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作和必要說明

①為了避免因?qū)嶒?yàn)操作的不熟悉，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)流程的陌生等主觀因素，3個(gè)班126名學(xué)生已經(jīng)在各自的化學(xué)老師指導(dǎo)下，進(jìn)行過一次火柴梗式引燃鐵絲燃燒的實(shí)驗(yàn)操作，因此本次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的對(duì)象已經(jīng)掌握了一定的實(shí)驗(yàn)技能。這樣做的理由是盡可能平衡因?qū)嶒?yàn)對(duì)象操作流程熟練度的較大差異性，減小實(shí)驗(yàn)失敗的偶發(fā)性，著重于通過比較，得出改進(jìn)后無水酒精式引燃鐵絲的優(yōu)點(diǎn)。

表4 無水酒精式引燃鐵絲、250mL氧氣組

②為了激勵(lì)學(xué)生勇于挑戰(zhàn)和創(chuàng)新，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)競(jìng)爭意識(shí)和實(shí)驗(yàn)興趣，本人在同一班級(jí)內(nèi)和不同班級(jí)間設(shè)置獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，獎(jiǎng)項(xiàng)內(nèi)容主要為“最快實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”、“最佳實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”和“最安全清潔實(shí)驗(yàn)小組”。在強(qiáng)調(diào)又快又好的同時(shí)，不忘實(shí)驗(yàn)安全，保護(hù)環(huán)境的目的。

③每個(gè)班級(jí)先進(jìn)行火柴梗式引燃鐵絲的實(shí)驗(yàn)，后進(jìn)行無水酒精引燃鐵絲的實(shí)驗(yàn)。

3.實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的偶發(fā)性問題和針對(duì)性的教學(xué)反思

①在2人小組合作的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，無水酒精式引燃鐵絲小組普遍用時(shí)要略少于火柴梗式引燃鐵絲小組。因無水酒精式引燃鐵絲實(shí)驗(yàn)過程中省略了“系火柴梗”等實(shí)驗(yàn)步驟，節(jié)約了操作時(shí)間。

表5 分組對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

②從表5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析中可以看出，總體而言，無水酒精組數(shù)據(jù)明顯要優(yōu)于火柴組，尤其是125mL氧氣分組實(shí)驗(yàn)中，無水酒精組的整體優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)十分明顯；然而250mL氧氣分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，結(jié)果差異性不大：原因可能是因?yàn)檠鯕獾捏w積相對(duì)較多，使得氧氣的一些損耗幾乎可以忽略不計(jì)。

③用無水酒精引燃鐵絲的小組同學(xué)出現(xiàn)了幾組集氣瓶瓶身炸裂的情況，而相反用火柴引燃鐵絲的小組該情況很少出現(xiàn)，即使有個(gè)別組，也是瓶底炸裂。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)檑釄邈Q夾持鐵絲太短，造成鐵絲引燃后伸入集氣瓶時(shí)，鐵絲一端的燃燒點(diǎn)不慎碰到集氣瓶瓶口處內(nèi)壁，導(dǎo)致集氣瓶瓶身炸裂。而用火柴梗引燃時(shí)，由于鐵絲螺旋狀末端綁有火柴，火柴在瓶中燃盡時(shí)若碰到集氣瓶內(nèi)壁，其溫度也不高，火柴把集氣瓶內(nèi)壁和鐵絲燃燒點(diǎn)隔離開來，起到了變相的保護(hù)集氣瓶的作用。

⑤由于本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新了課本實(shí)驗(yàn)，又設(shè)置了競(jìng)爭的意識(shí)，使得學(xué)生有極大的滿足和成就感；實(shí)驗(yàn)達(dá)到了“打破常規(guī)”，鼓勵(lì)學(xué)生自我創(chuàng)新，勇于挑戰(zhàn)“真理”的目的。

⑥雖然實(shí)驗(yàn)中存在個(gè)別小組因客觀因素（非正常智力）未能完成本實(shí)驗(yàn)，但整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作的理念，“實(shí)踐出真知”的信念必將留在學(xué)生的心中。

4.關(guān)于改進(jìn)后的“放大實(shí)驗(yàn)”的構(gòu)思

在本文中提到的“對(duì)鐵絲燃燒改進(jìn)實(shí)驗(yàn)后的再反思”中闡述了氧氣的純度和體積是本實(shí)驗(yàn)成功的首要因素，而無水酒精引燃鐵絲對(duì)判斷產(chǎn)物不會(huì)產(chǎn)生影響，螺旋狀半徑大小不起決定因素，建立在這些基礎(chǔ)上，本人決定將本實(shí)驗(yàn)放大。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）實(shí)驗(yàn)用品

18L的純凈水桶、厚塑料袋（最好醫(yī)療儀器回收袋）、50L醫(yī)療氧氣包（充工業(yè)氧99%）、酒精燈、坩堝鉗、無水酒精、0.5細(xì)鐵絲。

圖6 純凈水桶

圖7 塑料袋

圖8 氧氣袋

（2）實(shí)驗(yàn)流程

① 純凈水桶內(nèi)裝滿水，倒置在水池中，把氧氣包內(nèi)的工業(yè)氧用排水法收集在純凈水桶內(nèi)，待快收集滿時(shí)（水下降到接近純凈水桶頸部），留少部分水，移走導(dǎo)管，用塑料袋在水下封住純凈水桶口部，形成液封（使得氧氣不易外逸），并用繩子扎緊口部，保持純凈水桶倒置狀態(tài)取出。

②用玻璃棒將細(xì)鐵絲繞成螺旋狀若干組，并相互纏繞成“鋼絲球狀”，浸沒無水酒精。

③將純凈水桶倒過來正放平地上，調(diào)整塑料袋使得水進(jìn)入桶中，塑料袋不必解開，保持純凈水桶口的塑料袋平整。用坩堝鉗夾持“鐵絲球”在酒精燈上引燃后，立即迅速移至純凈水桶口部，燙開塑料袋后伸入純凈水桶中，觀察現(xiàn)象：如節(jié)日煙花般火星四射，十分美麗，鐵絲一端形成多個(gè)小球。

（3）實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头此?/p>

實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)向工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要的問題在于，化學(xué)原理在放大具象化過程中存在哪些需要解決的問題。一根螺旋狀鐵絲的燃燒和許多螺旋狀鐵絲的燃燒需要的氧氣量有什么不同，如何來獲得這么多氧氣，如何收集這些氧氣，實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的偶發(fā)性問題該如何解決，如“用塑料袋和水來液封的方式來保存氧氣”等就是十分有創(chuàng)意的想法。

這個(gè)改進(jìn)性的實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思考的激情，很有實(shí)踐的意義。

［1］ 李奇.鐵絲在氧氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的討論與改進(jìn)［J］.新課程導(dǎo)學(xué),2012（7）：22

［2］ 譚祥中，涂紅梅.鐵絲在氧氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］.化學(xué)教學(xué)，2008（12）：14

1008-0546（2017）10-0094-04

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.033