鐵燃燒實驗的兩種新改進

甘 磊 李德前 張 羿

江蘇省徐州市第33中學(221000) 江蘇省徐州市西苑中學(221000)

1 問題的由來

鐵的燃燒是初中化學教科書中驗證氧氣化學性質(zhì)的重要實驗，但也是成功率不高的一個課堂演示實驗。如果使用普通的細鋼絲(一般取自破舊的石棉網(wǎng)、自行車閘線、鐵紗窗等)，必須將其繞成螺旋狀并在末端續(xù)接火柴、鎂帶或酒精棉等引燃物(見圖1)才能促進鐵的順利燃燒。

圖1 教科書中鐵在氧氣中燃燒的實驗設計

對于鐵燃燒出現(xiàn)火星四射的原因，教師大多只是口頭解釋(鋼絲中的碳同時燃燒生成的二氧化碳氣體被包裹在鐵水中，二氧化碳氣泡迅速臌脹造成了鐵及鐵的氧化物向四周飛濺，于是呈現(xiàn)火星四射的現(xiàn)象)，很少有人進行實驗驗證。

但是，江蘇省徐州市初中化學李德前工作室的周良老師設計了在空氣中快速甩動燃燒的鋼絲棉實驗(見圖2)。該實驗的效果令人震撼，因而在省內(nèi)外廣為流傳，但其最大的不足是存在安全隱患(四處飛濺的火星容易引燃可燃物，甚至會灼燒到現(xiàn)場的師生)。

圖2 在空氣中快速甩動燃燒的鋼絲棉

我們在實驗教學中，基于“替換”思維，選用超細柔軟的鋼絲棉替換通常的細鋼絲進行鐵的燃燒實驗；又基于“逆向”思維，把“在空氣中快速甩動燃燒的鋼絲棉”改為“將燃燒的鋼絲棉置于高速空氣流中”進行實驗。實踐證明，這兩種改進方案都非常成功。

2 改進實驗的原理

表面積非常大的超細鋼絲棉其表面活性非常強，在氧氣濃度為21%的常態(tài)空氣中就能被點燃并持續(xù)燃燒，表現(xiàn)為紅熱的火星不斷向四周快速擴散(火星沒有飛濺)；在氧氣濃度高于60%的空氣中，鋼絲棉劇烈燃燒，并且產(chǎn)生明顯的火星四射現(xiàn)象。

3 對實驗的改進

經(jīng)過反復思考與實驗，筆者設計出如下兩種改進方案。

3.1 將鋼絲棉點燃后直接伸入氧氣瓶中進行實驗

3.1.1 實驗用品

氧氣、0號鋼絲棉(網(wǎng)購)、石灰水、250 mL集氣瓶、毛玻璃片、直角粗鋼絲、火柴、濕抹布等。

3.1.2 實驗裝置

實驗裝置圖如圖3所示。

圖3 鋼絲棉在氧氣瓶中燃燒的實驗設計

3.1.3 實驗操作

(1)剪取大小合適的1塊鋼絲棉，將其整理為長約12 cm、直徑約15 mm的圓柱形；找1根長約25 cm、外徑約5 mm的粗鋼絲，并折成直角形狀，然后將鋼絲棉固定在直角粗鋼絲上(見圖3)。

(2)取1個250 mL集氣瓶，提前向集氣瓶中注入適量澄清的石灰水，然后用向上排空氣法收集1瓶氧氣。

(3)拉開氧氣瓶口的毛玻璃片(露出瓶口一半即可)，迅速將已經(jīng)引燃的鋼絲棉伸入氧氣瓶內(nèi)，立刻觀察到鋼絲棉在氧氣瓶內(nèi)劇烈燃燒，放出大量的熱，同時濃密的火星四處飛濺；燃燒結束，集氣瓶底部及瓶壁上留有很多細小的黑色固體；如果用磁鐵靠近黑色固體，發(fā)現(xiàn)它們能被完全吸引。

(4)等到集氣瓶冷卻到室溫后，輕輕振蕩瓶內(nèi)的澄清石灰水，石灰水很快變渾。

(5)實驗結束，整理實驗用品。

3.1.4 實驗分析

(1)由于超細鋼絲棉的比表面積非常大，它與氧氣的接觸面也很大，因而鋼絲棉很容易在高濃度的氧氣里劇烈燃燒。

3.1.5 注意事項

(1)鋼絲棉伸入氧氣瓶時，要由上而下緩緩伸入，從而充分利用集氣瓶內(nèi)的氧氣。

(2)在觀察石灰水的變化時，必須等集氣瓶冷卻到室溫后再振蕩石灰水，以排除石灰水受熱出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象(析出氫氧化鈣)對實驗的干擾。

(3)在使用普通細鋼絲做鐵的燃燒實驗時，若要驗證二氧化碳氣體的存在，不能使用火柴桿、酒精棉等引燃物，以防止這些含碳的引燃物燃燒產(chǎn)生的二氧化碳氣體對實驗產(chǎn)生干擾。

3.1.6 實驗優(yōu)點

(1)實驗操作相對簡單，即便學生操作其成功率也非常高。

(2)石灰水的巧妙使用，不僅能防止集氣瓶底部炸裂，還驗證了鐵燃燒時火星四射的原因。

(3)借助直角形狀的粗鋼絲固定燃燒的鋼絲棉，既便于將引燃后的鋼絲棉伸入氧氣瓶內(nèi)，又不會因為鐵的劇烈燃燒而灼燒操作者。

(4)實驗設計不僅開闊了學生的視野，也使鐵的燃燒實驗更加豐滿。

在企業(yè)中，所有者與經(jīng)營者是關系最為密切的利益主體。所有者關心的是自己的資產(chǎn)能否保值和增值，而經(jīng)營者關心的是業(yè)績能否增加給自己帶來額外的經(jīng)濟收益。由于他們行為的目的性和經(jīng)濟性特征,存在著利益驅動,不可避免地帶來利益沖突。主要表現(xiàn)：一方面是激勵不夠，經(jīng)營者的貢獻在個人收入上往往不能得到很好的體現(xiàn)，這就使得一些經(jīng)營者設法獲取薪酬之外的額外收入，從而導致激勵機制被嚴重扭曲，經(jīng)營者道德風險也隨之加大；另一方面是激勵不當，缺乏相應的約束機制，造成部分經(jīng)營者為滿足自身利益，無視經(jīng)營責任，轉嫁經(jīng)營風險，直接參與提供虛假會計信息。

3.2 將鋼絲棉引燃后置于高速空氣流中進行實驗

3.2.1 實驗用品

0號鋼絲棉(網(wǎng)購)、水、家用除塵鼓風機或大功率的家用電吹風、鐵架臺、火柴、濕抹布等。

3.2.2 實驗裝置

實驗裝置圖如圖4所示。

圖4 鋼絲棉在高速空氣流中燃燒的實驗設計

3.2.3 實驗操作

(1)準備一個家用除塵鼓風機(或大功率的家用電吹風)。

(2)剪下一塊較大的鋼絲棉，通過搓、揉、拉等操作，將其整理成30 cm×4 cm×3 cm，并將其一端固定到鐵架臺(或墻壁)上。

(4)收集鋼絲棉燃燒濺落到地面上的黑色固體，再將其加到足量的硫酸銅溶液里，充分攪拌后黑色固體部分減少，并出現(xiàn)紅色固體。

(5)實驗結束，整理實驗用品。

3.2.4 實驗分析

(1)鼓風機(或電吹風)可以噴出高速空氣流，鋼絲棉處于高速空氣流中燃燒，在單位時間內(nèi)獲得了充足的氧氣，因而能充分、劇烈地燃燒。

3.2.5 注意事項

(1)整理后的鋼絲棉其長、寬、厚及疏松度要合適，使其既充分燃燒，又火星濃密。

(2)為了確保實驗安全，實驗場地不能有易燃物，并盡量將實驗置于靠近墻壁的位置進行；實驗結束，殘留的鋼絲棉要及時浸入水中。

(3)鼓風機的出風口距離鋼絲棉100 cm左右較為合適，并且出風口稍微向上傾斜10°左右；鼓風機向著鋼絲棉鼓風時，應盡量使用中低檔鍵(因為這種鼓風機功率大、風速快)。

(4)如果使用電吹風鼓風，連續(xù)鼓風時間不要過長，以防電熱絲溫度過高，出現(xiàn)停機情況。

(5)鋼絲棉屬于易燃物，在保存和使用時要符合安全要求。

3.2.6 實驗優(yōu)點

(1)實驗現(xiàn)象非常壯觀，提高了實驗的趣味性；鋼絲棉燃燒產(chǎn)生的大量火星僅向著一側飛濺，確保了實驗的安全性。

(2)利用鼓風機(或電吹風)提供高速空氣流，使鋼絲棉在空氣中的燃燒便于控制，只要鋼絲棉足夠多，燃燒就可以持續(xù)不斷地進行下去，從而充分滿足學生觀察和探究實驗的欲望。

(3)鋼絲棉在高速空氣流中劇烈燃燒的事實，有利于學生認識完全燃燒的條件；鋼絲棉奇特的化學活性，能夠激發(fā)學生探究身邊化學物質(zhì)的欲望。

(4)本實驗不僅可以作為演示實驗，也可以在教師或家長指導下由學生進行操作。

4 小結

總之，由于鋼絲棉的比表面積非常大，因而它在化學反應中發(fā)生的有效碰撞幾率就高。我們利用鋼絲棉設計中學化學實驗(不限于鐵的燃燒，還有鐵生銹、鐵與硫反應、鐵與酸或鹽溶液反應等實驗)，不僅能明顯地提高化學反應速率，甚至能產(chǎn)生意想不到的實驗現(xiàn)象，因而豐富了中學化學實驗教學資源，提高了化學實驗教學的有效性。