鐵與水蒸氣反應實驗的改進及評價

任鑫雨 廖鈁

摘要： 人教版高中化學必修1中鐵與水蒸氣反應以棉花為載體，實驗現(xiàn)象不明顯，實驗成功率低，在一定程度上影響教學效果。結合實驗教學實際，對實驗進行改進。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，同時對氫氣的檢驗裝置進行改進。改進后實驗裝置簡易，操作性、反應速率、實驗現(xiàn)象等方面都達到了良好的效果。

關鍵詞： 鐵; 水蒸氣; 硅酸鋁棉; 水晶泥; 檢驗裝置; 實驗改進

文章編號： 10056629（2018）12007102中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

鐵與水蒸氣反應實驗是人教版高中化學必修1中的科學探究內容，由于此實驗用棉花作為水的載體，氫氣檢驗裝置簡單，從而導致實驗安全性太低、實驗現(xiàn)象不明顯、失敗率高等問題。針對這些問題，我們對該實驗進行了較深入的探究。

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、導熱率較低、可反復利用的材料。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。通過實驗探究，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，通過實驗探究發(fā)現(xiàn)以棉花為載體，由于其著火點低且導熱性差，加熱時，棉花易焦化，在鐵粉還未達到反應溫度時，濕棉花中的水分早已揮發(fā)，從而降低了氫氣的濃度，使實驗現(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，可通過酒精燈直接加熱試管的方式使反應速率更快。

2?實驗改進

查閱相關的文獻[1， 2]，發(fā)現(xiàn)對此實驗改進主要集中在對吸水材料的探究。文獻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驗，同時對氫氣檢測裝置進行改進。基于實驗結果，對所用材料進行評價。

2.1?實驗裝置改進

2.1.1?對檢驗裝置進行改進

鐵與水蒸氣的反應，按照教材所給檢測裝置，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量和濃度，導致氫氣檢測不明顯或者沒有現(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

鐵與水蒸氣的反應需要較高的溫度，在酒精燈上加蓋防風罩，可提高溫度。

2.1.3?檢測方法的建議

（1） 有大量氣泡產(chǎn)生時，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，當吹出氣泡時，用火柴點氣泡，有爆鳴聲，瞬間有藍色火焰生成。

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

（4） 如果產(chǎn)生的氫氣足量，可在實驗裝置末尾處加一試管進行收集氫氣，再對氫氣進行檢驗。

實驗裝置參看圖1。

2.2?吸水材料的改進

2.2.1?實驗目的

（1） 證明鐵是一種較活潑的金屬[3]。

（2） 探究鐵與水蒸氣反應的最佳輔助吸水材料。

2.2.2?實驗原理

（1） 通過對吸水材料的吸水性探究，以及在控制變量的基礎上，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?實驗儀器和藥品

實驗儀器： 鐵架臺、干燥管、酒精燈、酒精燈罩、大試管、玻璃導管、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?實驗步驟

（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，測其最大的吸水量。

結論： 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，觀察實驗現(xiàn)象，得出實驗結果。

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，屬于有機物類，在加熱和高氧條件下會發(fā)生爆炸，所以不能直接加熱;棉花著火點低，直接加熱易焦化;硅酸鋁棉為耐高溫、熱穩(wěn)定性好的無機材料，能直接加熱。

（3） 不同吸水材料反應速率的探究

① 按要求搭好實驗裝置（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 先后對裝粉筆末、玻璃棉、硅酸鋁棉的試管預熱，再同時直接加熱鐵粉和吸水材料;或先后對裝有棉花和水晶泥的試管先預熱鐵粉，再加熱試管。當試管上有小水珠生成時，集中加熱鐵粉。此時，鐵粉由銀灰色變?yōu)楹谏?。加熱開始時立刻計時。

⑤ 將導氣管伸入肥皂液中，當肥皂液中有大量連續(xù)氣泡產(chǎn)生時，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，此時停止計時，記下所耗時間。

不同吸水材料檢測到氫氣所需時間見表3。

① 檢測到氫氣所需要的時間：

t（硅酸鋁棉）<t（棉花）<t（水晶泥）<t（玻璃棉）<t（粉筆末）。

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

3?結論

通過上述實驗探究，發(fā)現(xiàn)硅酸鋁棉遠遠優(yōu)于棉花。所以在教材實驗的基礎上，用硅酸鋁棉代替棉花，可加快實驗反應速率;同時在檢測裝置處增加干燥管，可提高氫氣純度，使實驗現(xiàn)象更加明顯;另外，可以嘗試多種氫氣的檢測方法，增大實驗的成功率。

參考文獻：

[1]孫中衛(wèi)，王程杰.鐵與水反應的實驗設計研究[J].化學教學， 2007，（11）： 16.

[2][3]洪長青，王玉琴.鐵與水蒸氣反應實驗的改進[J].化學教學， 2012，（5）： 9.