鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)及評(píng)價(jià)

任鑫雨 廖鈁

摘要： 人教版高中化學(xué)必修1中鐵與水蒸氣反應(yīng)以棉花為載體，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，實(shí)驗(yàn)成功率低，在一定程度上影響教學(xué)效果。結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。選用耐高溫、熱穩(wěn)定性好、吸水性好的硅酸鋁棉替代棉花作為水的載體，同時(shí)對(duì)氫氣的檢驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置簡易，操作性、反應(yīng)速率、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等方面都達(dá)到了良好的效果。

關(guān)鍵詞： 鐵; 水蒸氣; 硅酸鋁棉; 水晶泥; 檢驗(yàn)裝置; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 10056629（2018）12007102中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是人教版高中化學(xué)必修1中的科學(xué)探究內(nèi)容，由于此實(shí)驗(yàn)用棉花作為水的載體，氫氣檢驗(yàn)裝置簡單，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)安全性太低、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯、失敗率高等問題。針對(duì)這些問題，我們對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了較深入的探究。

1?硅酸鋁棉

硅酸鋁棉又稱為陶瓷棉，是以硬質(zhì)黏土、氧化鋁、氧化硅為原料采用電爐熔融噴吹法制備的一種無機(jī)短纖維，是一種具有耐高溫、吸水性好、防火、熱穩(wěn)定性良好、抗腐蝕、導(dǎo)熱率較低、可反復(fù)利用的材料。硅酸鋁棉與傳統(tǒng)石棉不同，傳統(tǒng)石棉（巖棉）的粉塵有致病、致癌性，國家已經(jīng)明令禁止使用。但硅酸鋁棉可以安全生產(chǎn)、使用。通過實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)硅酸鋁棉的吸水性良好，可用作水的載體。除此之外，通過實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)以棉花為載體，由于其著火點(diǎn)低且導(dǎo)熱性差，加熱時(shí)，棉花易焦化，在鐵粉還未達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，濕棉花中的水分早已揮發(fā)，從而降低了氫氣的濃度，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。相比于棉花，硅酸鋁棉可以穩(wěn)定地產(chǎn)生水蒸氣，使水蒸氣的利用率達(dá)到最大，產(chǎn)生的氫氣純度更高;利用硅酸鋁棉耐高溫（1333～1673K）、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可通過酒精燈直接加熱試管的方式使反應(yīng)速率更快。

2?實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

查閱相關(guān)的文獻(xiàn)[1， 2]，發(fā)現(xiàn)對(duì)此實(shí)驗(yàn)改進(jìn)主要集中在對(duì)吸水材料的探究。文獻(xiàn)中提到了幾種吸水材料替代棉花，用于提供水蒸氣。這些材料是： 玻璃棉、水晶泥（網(wǎng)上有售）、粉筆、濕沙子、紅磚、硅膠以及自身分解提供水蒸氣材料如Ca（OH）2、 Mg（OH）2、膽礬等。本文選用粉筆、玻璃棉、水晶泥、棉花幾種較優(yōu)的材料與新材料硅酸鋁棉來探究實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)氫氣檢測(cè)裝置進(jìn)行改進(jìn)?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)所用材料進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1?實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

2.1.1?對(duì)檢驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)

鐵與水蒸氣的反應(yīng)，按照教材所給檢測(cè)裝置，由于產(chǎn)生的氫氣混雜大量水蒸氣，所以大大降低了氫氣的質(zhì)量和濃度，導(dǎo)致氫氣檢測(cè)不明顯或者沒有現(xiàn)象。為了現(xiàn)象更加明顯，在試管口加上干燥裝置，提高氫氣的濃度。

2.1.2?加熱裝置改進(jìn)

鐵與水蒸氣的反應(yīng)需要較高的溫度，在酒精燈上加蓋防風(fēng)罩，可提高溫度。

2.1.3?檢測(cè)方法的建議

（1） 有大量氣泡產(chǎn)生時(shí)，用燃著的火柴靠近，觀察現(xiàn)象，聽是否有爆鳴聲。

（2） 用橡膠管蘸取肥皂液，當(dāng)吹出氣泡時(shí)，用火柴點(diǎn)氣泡，有爆鳴聲，瞬間有藍(lán)色火焰生成。

（3） 用橡膠管蘸取肥皂液，當(dāng)吹出氣泡時(shí)，用手輕抖氣泡，氣泡上浮，再用火柴點(diǎn)氣泡，有爆鳴聲，證明有氫氣生成。

（4） 如果產(chǎn)生的氫氣足量，可在實(shí)驗(yàn)裝置末尾處加一試管進(jìn)行收集氫氣，再對(duì)氫氣進(jìn)行檢驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)裝置參看圖1。

2.2?吸水材料的改進(jìn)

2.2.1?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1） 證明鐵是一種較活潑的金屬[3]。

（2） 探究鐵與水蒸氣反應(yīng)的最佳輔助吸水材料。

2.2.2?實(shí)驗(yàn)原理

（1） 通過對(duì)吸水材料的吸水性探究，以及在控制變量的基礎(chǔ)上，選用不同的吸水材料探究氫氣產(chǎn)生的速率，得到最優(yōu)的吸水材料。

（2） 3Fe+4H2O（g）△Fe3O4+4H2。

2.2.3?實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

實(shí)驗(yàn)儀器： 鐵架臺(tái)、干燥管、酒精燈、酒精燈罩、大試管、玻璃導(dǎo)管、膠塞、蒸發(fā)皿、火柴

藥品： 還原鐵粉、粉筆、玻璃棉、水晶泥、棉花、硅酸鋁棉、水、肥皂液

2.2.4?實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 吸水材料吸水性的探究

分別稱取粉筆末、玻璃棉、水晶泥、棉花、硅酸鋁棉各1g，向材料中滴加水（水晶泥浸泡在水中）直至材料不再吸水為止，測(cè)其最大的吸水量。

結(jié)論： 吸水性： 水晶泥>棉花>硅酸鋁棉>玻璃棉>粉筆。

（2） 吸水材料能否直接加熱探究

分別取上述適量的吸水材料于蒸發(fā)皿中，加熱蒸發(fā)皿，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

粉筆末的主要成分是硫酸鈣（含少量碳酸鈣），加熱不易分解;玻璃棉主要以石英砂、長石、硅酸鈉、硼酸為主要原料，這幾種原料極耐高溫，所以酒精燈能直接加熱;水晶泥是一種鉀聚丙烯酸酯聚丙烯酰胺共聚體型保水劑，屬于有機(jī)物類，在加熱和高氧條件下會(huì)發(fā)生爆炸，所以不能直接加熱;棉花著火點(diǎn)低，直接加熱易焦化;硅酸鋁棉為耐高溫、熱穩(wěn)定性好的無機(jī)材料，能直接加熱。

（3） 不同吸水材料反應(yīng)速率的探究

① 按要求搭好實(shí)驗(yàn)裝置（見圖1），檢查各連接部分是否漏氣。

② 取5支相同規(guī)格的試管，分別編號(hào)為1、 2、 3、 4、 5;分別稱取棉花、玻璃棉、硅酸鋁棉、粉筆末、吸水后的水晶泥各1.00g，棉花、玻璃棉、硅酸鋁棉用水浸濕后擠干，塞入試管底部（水晶泥剁碎后直接放入試管底部、粉筆末先放入試管底部再滴水浸濕）。

③ 稱取2.00g鐵粉5份，分別將鐵粉放入5支試管中，鐵粉中心至棉花等吸水材料邊緣距離2cm左右。

④ 先后對(duì)裝粉筆末、玻璃棉、硅酸鋁棉的試管預(yù)熱，再同時(shí)直接加熱鐵粉和吸水材料;或先后對(duì)裝有棉花和水晶泥的試管先預(yù)熱鐵粉，再加熱試管。當(dāng)試管上有小水珠生成時(shí)，集中加熱鐵粉。此時(shí)，鐵粉由銀灰色變?yōu)楹谏?。加熱開始時(shí)立刻計(jì)時(shí)。

⑤ 將導(dǎo)氣管伸入肥皂液中，當(dāng)肥皂液中有大量連續(xù)氣泡產(chǎn)生時(shí)，停止吹氣泡。

⑥ 用燃著的火柴靠近氣泡，氣泡燃燒且有爆鳴聲，此時(shí)停止計(jì)時(shí)，記下所耗時(shí)間。

不同吸水材料檢測(cè)到氫氣所需時(shí)間見表3。

① 檢測(cè)到氫氣所需要的時(shí)間：

t（硅酸鋁棉）<t（棉花）<t（水晶泥）<t（玻璃棉）<t（粉筆末）。

② 在控制變量的基礎(chǔ)上，其他條件不變，采用相同質(zhì)量的不同吸水材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硅酸鋁棉產(chǎn)生氫氣所需要的時(shí)間最短，即硅酸鋁棉最優(yōu)。

3?結(jié)論

通過上述實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)硅酸鋁棉遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于棉花。所以在教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用硅酸鋁棉代替棉花，可加快實(shí)驗(yàn)反應(yīng)速率;同時(shí)在檢測(cè)裝置處增加干燥管，可提高氫氣純度，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯;另外，可以嘗試多種氫氣的檢測(cè)方法，增大實(shí)驗(yàn)的成功率。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫中衛(wèi)，王程杰.鐵與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究[J].化學(xué)教學(xué)， 2007，（11）： 16.

[2][3]洪長青，王玉琴.鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].化學(xué)教學(xué)， 2012，（5）： 9.