用鐵絲絨做“Fe與CuSO₄溶液反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)

李德前 魏海 張羿

摘要： 對(duì)鐵絲絨與CuSO4溶液反應(yīng)做了實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 將比表面積很大的鐵絲絨纏繞在彎曲的粗鋼絲（或粗銅絲）上然后插入CuSO4溶液中，可顯著提高反應(yīng)的速率，在反應(yīng)開始后的短時(shí)間內(nèi)就能觀察到溶液中有“銅樹”形成，而且反應(yīng)后的溶液也呈現(xiàn)明顯的淺綠色。該實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生準(zhǔn)確獲取“Fe與CuSO4溶液反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，豐富中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。

關(guān)鍵詞： 比表面積; 鐵絲絨; 鐵與硫酸銅溶液反應(yīng); 銅樹

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）11-0078-03中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

在現(xiàn)行各種版本的義務(wù)教育化學(xué)教科書中，都安排了金屬鐵與銅鹽溶液（主要使用CuSO4、 CuCl2溶液）反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，旨在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)鐵的化學(xué)性質(zhì)，了解金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱的比較方法。

教科書上設(shè)計(jì)的鐵與銅鹽溶液反應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)，選用的是普通鐵釘（或與鐵釘粗細(xì)差不多的普通鐵絲），通常能觀察到鐵釘（或鐵絲）表面淡淡地覆蓋了一層紅色固體，固體產(chǎn)物很難形成理想的“銅樹”形狀;生成的亞鐵鹽（FeSO4或FeCl2）由于量少且易被氧化，致使實(shí)驗(yàn)過程中很難觀察到反應(yīng)后的溶液呈現(xiàn)“淺綠色”，造成學(xué)生對(duì)亞鐵鹽溶液的顏色缺乏感性認(rèn)識(shí)?？梢姡瓕?shí)驗(yàn)方案不僅給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來困難，也容易引起學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)的一些誤解。

基于“逆向思維”[1]的視角，我們對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化： 將反應(yīng)物鐵絲“由粗變細(xì)”，通過改用超細(xì)鐵絲（如鐵絲絨、鋼絲棉等）設(shè)計(jì)“Fe與CuSO4溶液反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)[2]。下面詳細(xì)介紹新設(shè)計(jì)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案。

1 改進(jìn)方案Ⅰ

1.1 實(shí)驗(yàn)用品

鐵絲絨（網(wǎng)購），4%的CuSO4溶液;20mm×200mm的試管（含配套的橡皮塞），直徑約0.5cm、長約25cm的粗鋼絲（或粗銅絲），銼刀，剪刀等

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 找一根粗細(xì)約0.5cm、長約25cm的粗鋼絲（或粗銅絲），將其彎曲成不規(guī)則的螺旋狀，并用銼刀將粗鋼絲表面打毛，使其表面凹凸不平（以防下一步纏繞的鐵絲絨滑落下來）。

（2） 剪取大小合適的一塊鐵絲絨，將其整理為寬約3cm、長約25cm的長條狀，然后將鐵絲絨按順時(shí)針方向纏繞在彎曲的粗鋼絲上，注意使纏繞上去的鐵絲絨松緊適度、外形不規(guī)則（可以是樹狀或樹根狀）、長度不超過13cm、粗細(xì)不超過2cm（見圖1）。

（3） 向20mm×200mm的試管中緩慢注入溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硫酸銅溶液，溶液的體積不要超過試管容積的4/5。

（4） 左手拿試管，右手拿粗鋼絲的最上端，將鐵絲絨緩緩插入CuSO4溶液中，鐵絲絨表面立即就會(huì)附著一層紅色固體（說明鐵置換出了CuSO4溶液中的銅）。接下來，緩慢地上下移動(dòng)粗鋼絲5～7次，使鐵與CuSO4溶液充分反應(yīng)，其間鐵絲絨表面附著的紅色固體會(huì)越來越厚，溶液的藍(lán)色越來越淺（說明CuSO4不斷減少），手摸試管外壁還能感覺到明顯發(fā)熱（說明反應(yīng)放熱）。

（5） 粗鋼絲停止上下運(yùn)動(dòng)后再靜置2～3分鐘，然后將粗鋼絲從試管中取出，立即將橡皮塞塞緊試管口（盡量阻止FeSO4被氧化）。

（6） 引導(dǎo)學(xué)生觀察粗鋼絲上的鐵絲絨，其外形既像“銅樹”，又像金色的“根雕”。觀察試管里的溶液顏色，已由原先的藍(lán)色變?yōu)槊黠@的淺綠色（說明鐵置換出銅的同時(shí)生成了FeSO4）。

（7） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品，指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2 改進(jìn)方案Ⅱ

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

鐵絲絨（網(wǎng)購），6%的硫酸銅溶液;18mm×180mm的U形管（含配套的橡皮塞），直徑約0.5cm、長約16cm的粗鋼絲（或粗銅絲），銼刀，剪刀等

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置見圖2（夾持裝置略）。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 取一根直徑約0.5cm、長約16cm的粗鋼絲（或粗銅絲），將粗鋼絲繞成不規(guī)則的螺旋狀，并用銼刀將粗鋼絲表面處理得有些凹凸不平，然后把粗鋼絲的頂端牢牢插入橡皮塞中。

（2） 剪一塊大小合適的鐵絲絨，將鐵絲絨整理為寬約2cm、長約25cm的長條狀，然后將長條狀鐵絲絨按順時(shí)針方向纏繞在彎曲的粗鋼絲上，注意使纏繞上去的鐵絲絨松緊適度、外形不規(guī)則（可以是樹狀或樹根狀）、長度不超過13cm、粗細(xì)不超過1.8cm（見圖2）。

（3） 向18mm×180mm的U形管中緩慢注入溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的CuSO4溶液，注意使液面距管口有2～3cm的距離。

（4） 左手拿在U形管左管的中部，右手持橡皮塞，將鐵絲絨緩緩插入右管的CuSO4溶液中，鐵絲絨表面立即覆蓋上一層紅色固體（說明鐵置換出了銅），同時(shí)將橡皮塞緊緊塞到右管的管口上，然后將U形管固定并靜置。

（5） 1～2分鐘后可以發(fā)現(xiàn)，鐵絲絨表面的紅色固體不斷加厚，鐵絲絨周圍的溶液顏色明顯變淺（說明CuSO4不斷減少），手摸U形管右管的外壁感覺發(fā)熱（說明反應(yīng)放熱）。

（6） 3～5分鐘后觀察，U形管里溶液的藍(lán)色按照“右管→U形管底部→左管”的方向逐漸變淺，即離鐵絲絨越近的溶液其藍(lán)色越淺，并呈現(xiàn)淺綠色（說明鐵置換出銅的同時(shí)還生成FeSO4），離鐵絲絨越遠(yuǎn)的溶液其藍(lán)色越深（說明反應(yīng)過程中溶液里的Cu2+在不斷地向鐵絲絨附近運(yùn)動(dòng)）;并且U形管兩邊出現(xiàn)液面差——右管里的液面略低于左管里的液面（進(jìn)一步說明反應(yīng)放熱）。

（7） 1～2小時(shí)后觀察，U形管左、右管里的液面差已經(jīng)消失（說明反應(yīng)放出的熱量已完全散失到空氣中），U形管左、右管里的溶液顏色的差別也越來越小（說明反應(yīng)逐步趨于平衡狀態(tài)）。

（8） 大約6～7小時(shí)后反應(yīng)終止（反應(yīng)結(jié)束的時(shí)間與氣溫、溶液濃度、鐵絲的粗細(xì)和質(zhì)量等都有關(guān)系），最終的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是： 鐵絲絨表面覆蓋一層濃密的紅色物質(zhì)，其造型像是“銅樹”，又像是“黃金根雕”，U形管底部有少量脫落下來的紅色物質(zhì);左管的液面處有少許液體呈黃綠色[說明接觸到空氣的FeSO4被氧化為Fe2（SO4）3]，U形管內(nèi)其余溶液均為淺綠色。

（9） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品，指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3 結(jié)束語

在上述兩個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，鐵絲絨一定要取過量，保證CuSO4溶液完全反應(yīng)、反應(yīng)后的溶液呈現(xiàn)淺綠色，又使生成的超細(xì)銅粉能夠附著在細(xì)鐵絲表面而不脫落。CuSO4溶液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)以4%～6%為宜，若濃度過大反應(yīng)過程中可能會(huì)產(chǎn)

生氫氣，若濃度過小則鐵絲表面附著的銅粉可能會(huì)呈現(xiàn)黑色[3]。另外，觀察反應(yīng)后溶液的顏色時(shí)，可以用白紙或白色的墻壁做背景襯托。

總之，本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)利用鐵絲絨的比表面積大的特點(diǎn)，增進(jìn)了Fe與CuSO4溶液的接觸，使反應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)了預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這一事實(shí)有利于學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)到影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素，并培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科觀念。由于鐵絲絨柔軟且有韌性，因此很容易將其塑造成各種形狀（如樹形、根雕形、礦石形等），從而使固體產(chǎn)物的形狀別致有趣，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的好奇心和創(chuàng)新思維。本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)用品大多是常規(guī)的藥品和儀器，鐵絲絨雖不常見，但網(wǎng)購方便且價(jià)格低廉（每百克不足3元）。它既可作為演示實(shí)驗(yàn)，也能作為學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)或用于課外探究活動(dòng)，從而為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)積累優(yōu)質(zhì)的課程資源。

參考文獻(xiàn)：

[1]李德前.例談初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的思維方法[J].化學(xué)教學(xué)， 2013，（3）： 65～68.

[2]周良，魏海，王會(huì)，李德前.以超細(xì)鋼絲棉替代鐵改進(jìn)兩個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[J].化學(xué)教學(xué)， 2018，（6）： 76～79.

[3]姜跟華.對(duì)鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究[J].化學(xué)教與學(xué)， 2013，（3）： 93～94.