“尿不濕”材料用于“鐵與水蒸氣反應(yīng)”實驗最佳條件的探究

江西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院(330022) 聶偉春 李永紅

1 問題的提出

鐵與水蒸氣的反應(yīng)是人教版高中教材中的一個重要實驗。它對培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力、觀察記錄能力、分析實驗?zāi)芰?、解決問題的能力有著積極的意義。

但在實驗操作過程中遇到諸多問題，其中最主要的問題是實驗過程中試管容易炸裂；其次是不能直接加熱棉花、水蒸氣產(chǎn)生的速度慢、棉花易碳化以及實驗結(jié)束后試管難清洗等問題。針對這些問題，很多學(xué)者、一線教師開展了很多研究，大致分為以下幾類：①對加熱方式的改進；②對鐵的形態(tài)的改進；③對實驗裝置的改進；④對供水劑的改進。其中研究最多的是對供水劑的改進，如用水氫氧化鎂、氫氧化鈣、五水硫酸銅晶體、SAP材料、水晶泥、硅酸鋁棉、石棉絨、粉筆、粗孔硅膠等代替人教版高中教材中的棉花作為供水劑。其中孫丹和熊曉丹以“尿不濕”中的SAP材料作為供水劑的改進實驗引起了筆者極大的興趣。

SAP材料是一種高吸水性樹脂，主要成分為聚丙烯酸鈉，具有強親水性基團(—COONa)的低交聯(lián)的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，吸水和蓄水量非常大。通常情況下，SAP材料能吸收的純凈水是自身重量的1 000倍，所以SAP材料被廣泛用于制造嬰兒“尿不濕”。只要溫度達到200 ℃以上，SAP材料中的水分子就會因其熱運動擺脫網(wǎng)絡(luò)的束縛而揮發(fā)出來，并且SAP材料廉價易得。所以,將SAP材料作為“鐵與水蒸氣反應(yīng)”的供水劑是合理的。

孫丹和熊曉丹還指出：實驗過程中應(yīng)控制鐵粉與SAP材料的距離為6 cm左右；SAP材料與加入水的質(zhì)量比應(yīng)在1∶20～1∶15的范圍內(nèi)較好。由于兩位學(xué)者只是給出了一個范圍，為了達到最好的實驗教學(xué)效果，筆者利用優(yōu)選法和正交實驗法探究“鐵與水蒸氣反應(yīng)”的最佳實驗條件。

2 實驗原理與方法

2.1 實驗原理

常溫下鐵不與水反應(yīng)，但在加熱高溫的條件下可與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)采用“尿不濕”中的SAP材料作為供水劑。

反應(yīng)生成氫氣，氫氣不溶于水，密度比空氣小，故可用向下排空氣法和排水法來收集。但為了便于觀察是否收集滿1試管氫氣，本實驗用排水法來收集氫氣；氫氣極易燃燒，故可用點燃氫氣的方式檢驗氫氣，將燃著的木條放在集滿氫氣的試管口，若聽到“噗”的一聲即為氫氣。

2.2 實驗方法

本實驗采取的是優(yōu)選法和正交實驗法進行實驗探究。

優(yōu)選法即依據(jù)“黃金分割比”來確定實驗點(在0.618和0.382的比例位置上)，用逼近的方法尋找最佳實驗條件的一種設(shè)計方法。本實驗運用優(yōu)選法初探鐵粉質(zhì)量這一影響因素的最佳的3個水平。

正交實驗法即利用排列整齊的正交表來對試驗進行整體設(shè)計、綜合比較、統(tǒng)計分析，實現(xiàn)通過少數(shù)實驗次數(shù)找到較好實驗條件，以達到最佳實驗效果的一種方法。本實驗采用正交實驗法旨在探究出“鐵與水蒸氣反應(yīng)”的最佳實驗條件。

3 實驗設(shè)計

3.1 實驗指標的確定

檢驗本實驗效果的方法主要有3種:①用肥皂水收集氫氣，通過觀察氫氣泡產(chǎn)生的速度；②用肥皂水收集氫氣，通過點燃氫氣泡，判斷爆鳴聲產(chǎn)生的時間或者響亮程度；③用排水法收集氫氣，通過判斷從實驗開始到收集滿1試管氫氣所用時間。

筆者以用肥皂水收集氫氣，通過點燃氫氣泡，記錄爆鳴聲產(chǎn)生所用的時間作為實驗指標，但在實驗過程中發(fā)現(xiàn)該方法難以準確判斷第一個氫氣泡出現(xiàn)的時間，有很大的主觀因素。所以,最終確定以用排水法從開始收集到收集滿1小試管氫氣所需的時間作為實驗指標，所需時間越短即產(chǎn)生氫氣的速率越快，實驗效果越好。

3.2 因素、水平的確定

“鐵與水蒸氣反應(yīng)”實驗的影響因素有許多，如：供水劑、供水劑與水的質(zhì)量比、供水劑的加熱方式、鐵的形態(tài)、鐵的質(zhì)量、鐵的加熱方式、鐵與供水劑的距離等。筆者以供水劑、供水劑的加熱方式、鐵的形態(tài)、鐵的加熱方式為控制變量；以鐵的質(zhì)量、供水劑與水的質(zhì)量比、鐵與供水劑的距離為自變量進行研究，探究出這3個自變量最有利于該反應(yīng)進行的水平組合。

3.2.1 因素的確定

根據(jù)文獻研究，筆者選取“尿不濕”中提取的SAP材料為供水劑，供水劑和鐵的加熱方式均為酒精燈加熱，鐵為AR分析純的還原鐵粉。則本實驗的因素為：鐵粉質(zhì)量；SAP材料與水的質(zhì)量比；SAP材料與鐵粉的距離。

3.2.2 水平的確定

(1)鐵粉質(zhì)量因素水平的確定

從節(jié)約藥品和便于稱量考慮，控制SAP材料與水的質(zhì)量比為1∶18(在1∶20～1∶15范圍內(nèi)取)，即SAP材料質(zhì)量為0.1 g、水的體積為1.8 mL，SAP材料與鐵粉的距離為6 cm，鐵粉質(zhì)量分別為0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g、0.6 g、0.7 g、0.8 g、0.9 g、1 g，用優(yōu)選法確定鐵粉質(zhì)量的3個水平。具體實驗及數(shù)據(jù)見表1。

(2)SAP材料與水的質(zhì)量比因素水平的確定

孫丹和熊曉丹建議SAP材料與水的質(zhì)量比應(yīng)在1∶20～1∶15的范圍內(nèi)，她們給出的理由是當(dāng)質(zhì)量比大于1∶15時，在實驗過程中SAP材料會出現(xiàn)輕度碳化，說明加水較少；小于1∶20時，在實驗過程中試管口的SAP材料與熱鐵粉間有冷凝水存在，說明加水太多。為了驗證在實驗過程中是否會出現(xiàn)這種情況以及便于稱量，故確定該因素的3個水平為1∶12、1∶18、1∶24。因為SAP材料吸水性非常強，出于節(jié)約藥品的考慮，故用0.1 g SAP材料吸水。

(3)SAP材料與鐵粉的距離因素水平的確定

該實驗所用的試管長20 cm，除去搭建裝置的長度，SAP材料與鐵粉的距離這一因素可取的水平有4 cm、6 cm、8 cm、10 cm。但是通過實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)濕潤的SAP材料與鐵粉之間的距離為10 cm時，由于距離太遠，水蒸氣還沒到達鐵粉位置就已冷凝，導(dǎo)致試管炸裂，故確定該因素的3個水平為4 cm、6 cm、8 cm。

根據(jù)前面的探索，得出實驗的因素及水平，見表2。

表2 “鐵與水蒸氣反應(yīng)”正交實驗因素、水平表

3.2.3 實施方案

根據(jù)表2，選擇正交表:L9(34)，具體實驗方案見表3。

表3 “鐵與水蒸氣反應(yīng)”正交實驗方案表

3.2.4 實驗過程

3.2.4.1 實驗儀器及試劑

儀器：酒精燈2個、鐵絲網(wǎng)罩1個、小木塊1個、鐵架臺1個、鐵夾1個、帶單孔塞的試管(920 mm×200 mm)1個、玻璃導(dǎo)管2截、橡膠管1根、水槽、小試管(10 mm×75 mm)1個、10 mL量筒1個、火柴2盒、電子天平1臺、膠頭滴管1個、直尺1根、紙槽2個、濾紙若干、秒表1個。

試劑：SAP材料(取自安兒樂“尿不濕”)、還原鐵粉(AR分析純)、蒸餾水。

3.2.4.2 實驗裝置

實驗裝置見圖1。

3.2.4.3 實驗步驟

(1)將“尿不濕”表面棉撕開,取中間夾層中的小顆粒即SAP材料;

(2)按實驗裝置圖所示組裝實驗儀器，并檢查裝置的氣密性；

(3)用電子天平分別稱出0.1 g SAP材料和所需鐵粉量，并將稱好的SAP材料用紙槽放入大試管底部；

(4)計算出對應(yīng)實驗號所需水量，用量筒量取所需水量，用膠頭滴管滴入放有SAP材料的大試管中，用玻璃棒攪拌至SAP材料固定在大試管底部即傾斜大試管無凝膠流下；

(5)將大試管固定在鐵架臺上(注意：試管口要略微朝下)，用直尺量出對應(yīng)實驗號鐵粉與SAP材料之間的距離并將鐵粉用紙槽放入該距離點；

(6)塞緊大試管塞，連接導(dǎo)氣管并將導(dǎo)氣管尾端放入裝滿水的水槽中；

(7)用酒精預(yù)熱大試管，將該酒精燈放至距離點鐵粉位置加熱鐵粉，待鐵粉稍變紅熱后點燃另一酒精燈放至大試管底部加熱濕潤的SAP材料；

(8)待導(dǎo)管口有均勻氣泡冒出時，用小試管收集氫氣并開始計時，直到小試管口有氣泡冒出即為集滿1小試管氫氣，停止計時，記錄所用時間；

(9)點燃小試管中的氣體，聽到“噗”的一聲即為氫氣；

(10)將導(dǎo)氣管從水中取出后停止加熱，待大試管冷卻至室溫后從鐵架臺上取下，實驗結(jié)束。

改變數(shù)據(jù)，重復(fù)上述實驗操作。

3.2.5 實驗數(shù)據(jù)與處理

為了排除偶然因素的干擾，共進行了3次平行實驗。用排水法集滿1小試管氫氣所需時間的數(shù)據(jù)為平行實驗數(shù)據(jù)的平均值。實驗數(shù)據(jù)與處理見表4。

表4 “鐵與水蒸氣反應(yīng)”正交實驗數(shù)據(jù)分析表

由表4可知：該反應(yīng)的最佳實驗條件在本次實驗安排中并未出現(xiàn)，故進行驗證性實驗。驗證實驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 “鐵與水蒸氣反應(yīng)”最佳實驗條件驗證實驗數(shù)據(jù)表

由數(shù)據(jù)可知：A1B3C2即當(dāng)鐵粉質(zhì)量為0.3 g、SAP材料與水的質(zhì)量比為1∶24、鐵粉與SAP材料之間的距離為6 cm時，集滿1小試管氫氣所需時間為30.78 s，產(chǎn)生氫氣的速率最快，為最佳實驗條件。

4 實驗結(jié)論

由表4數(shù)據(jù)分析可得出以下結(jié)論：

(1)由R值大小得出影響實驗指標的主次因素依次為:C>B>A，即最主要的影響因素為SAP材料與鐵粉的距離，SAP材料與水的質(zhì)量比次之，鐵粉質(zhì)量對本實驗的影響最小。

由實驗數(shù)據(jù)可知：當(dāng)SAP材料與鐵粉的距離6 cm時，集滿1小試管氫氣所需時間最短，當(dāng)距離增大或減小，所需時間增長。并且距離為8 cm時所需的時間比距離為4 cm時更長。筆者認為出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是：當(dāng)SAP材料與鐵粉的距離太小時，部分水蒸氣還沒來得及與鐵粉接觸就已經(jīng)擴散出去；距離太大時，大部分水蒸氣易在這段距離試管內(nèi)冷凝。故位于中間水平即距離為6cm時，集滿1小試管氫氣所需時間最短。

(2)由K值大小得出：鐵粉質(zhì)量最佳為0.3 g；SAP材料與水的最佳質(zhì)量比為1∶24；鐵粉與SAP材料之間的最佳距離為6 cm。

(3)由總體分析得出：“鐵與水蒸氣反應(yīng)”的最佳實驗條件為A1B3C2即當(dāng)鐵粉質(zhì)量為0.3 g、SAP材料與水的質(zhì)量比為1∶24、鐵粉與SAP材料之間的距離為6 cm時，集滿一小試管氫氣所需時間為30.78 s即產(chǎn)生氫氣的速率最快。

5 實驗效果

用SAP材料替代棉花作為鐵與水蒸氣反應(yīng)實驗的供水劑，有以下優(yōu)勢：

(1)可直接加熱SAP材料，加快了水蒸氣產(chǎn)生的速率，縮短了實驗所需時間，有助于課堂教學(xué)；

(2)SAP材料不會碳化，實驗結(jié)束后試管易清洗；

(3)實驗安全易操作；

(4)SAP材料源于生活中的常用物品“尿不濕”，廉價易得，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。