鐵粉與硫黃反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

董克村 鄭曉婉

摘要：鐵粉與硫黃作為金屬及其化合物之間轉(zhuǎn)化的反應(yīng)，是初中階段少有的無氧氣參與的氧化還原反應(yīng)，是完善學(xué)生知識體系中化學(xué)反應(yīng)的重要補(bǔ)充。遺憾的是，在浙教版教材中的實(shí)驗(yàn)存在著較多問題從而導(dǎo)致很多教師不愿意在課堂上進(jìn)行演示，教材中要求的“學(xué)生活動(dòng)”更是無法落實(shí)。本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案利用實(shí)驗(yàn)室中常見易得的實(shí)驗(yàn)材料對鐵粉與硫黃的反應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、污染物顯著減少、操作性強(qiáng)等改進(jìn)目的。

關(guān)鍵詞：鐵粉與硫黃；實(shí)驗(yàn)；改進(jìn)

文章編號：1008-0546（2021）10-0095-03中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.023

在浙江教育出版社出版（以下簡稱“浙教版”）的九年級上《科學(xué)》中，第二章第五節(jié)《物質(zhì)的轉(zhuǎn)化》向?qū)W生們展示了鐵粉與硫黃發(fā)生的反應(yīng)。但由于浙教版教材中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案存在諸多問題，給廣大一線科學(xué)教師在教學(xué)上帶來了極大的困惑與不便。很多科學(xué)教師在實(shí)際上課過程中都回避了這個(gè)實(shí)驗(yàn)的的演示操作，教材中要求的“學(xué)生活動(dòng)”更是無法落實(shí)。這就造成了課堂上的教師只能紙上談兵，而學(xué)生也只能死記硬背，這實(shí)在是科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一大遺憾。

一、教材中存在的問題

1.藥品接觸松散，往往難以完全反應(yīng)

在實(shí)驗(yàn)過程中，由于鐵粉與硫黃都是粉末狀固體，混合后放入試管時(shí)兩者接觸松散，勢必造成反應(yīng)不完全。由此引發(fā)的實(shí)驗(yàn)藥品浪費(fèi)的問題也不容忽視，科學(xué)實(shí)驗(yàn)除了要讓學(xué)生觀察相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在這一過程中感受科學(xué)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性也應(yīng)當(dāng)注意。

2.無法確定鐵粉和硫黃的最佳質(zhì)量比

在2015年6月第二次印刷時(shí)的浙教版教材中，關(guān)于鐵粉和硫黃的最佳質(zhì)量比并未說明：取少量鐵粉放在白紙上，再取少量硫黃與鐵粉混合……。而在2018年6月第五次印刷時(shí)的浙教版教材中，教材的表述又變?yōu)椋喝∩倭胯F粉放在白紙上，再取一定量硫黃與鐵粉混合（鐵與硫黃的質(zhì)量比約為7：5）……。教材從少量鐵粉與少量硫黃的定性取法，到鐵：硫黃=7：5的定量取法，編者對所取的鐵粉與硫黃的質(zhì)量關(guān)系也一定做了反復(fù)的推敲。雖然在一定程度上進(jìn)行了修正，但由于所選實(shí)驗(yàn)裝置決定了鐵粉與硫黃的接觸必定是松散的，這就導(dǎo)致了混合反應(yīng)時(shí)兩者最佳質(zhì)量比不能確定。

3.伴隨有毒氣體，污染環(huán)境危害師生

在鐵粉與硫黃反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，不得不提的便是硫黃會(huì)與空氣中的氧氣反應(yīng)生成二氧化硫。由于二氧化硫具有強(qiáng)烈的刺激性氣味，且對人體有害，所以在課堂中進(jìn)行教材所要求的“學(xué)生活動(dòng)”顯然沒有考慮到教學(xué)實(shí)際。

4.反應(yīng)會(huì)放出大量的熱，容易造成試管破裂

在反應(yīng)的初始階段需要加熱混合物繼而引發(fā)反應(yīng)的進(jìn)行，因?yàn)殍F粉與硫黃的反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，所以后續(xù)過程并不需要加熱。在這一過程中，試管局部溫度是比較高的（如圖1），會(huì)有一定幾率發(fā)生試管破裂，從而造成不必要的傷害。

5.產(chǎn)物黏在試管不易取出

待鐵粉與硫黃反應(yīng)結(jié)束后，需要倒出混合物，并用磁鐵吸引，從而判斷是否產(chǎn)生新物質(zhì)。在實(shí)際操作過程中，我們往往會(huì)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后的產(chǎn)物容易黏在試管底部，不容易倒出來（如圖2）。當(dāng)我們用玻璃棒使其松動(dòng)后，雖然不會(huì)黏在試管底部，但是在倒出產(chǎn)物時(shí)又會(huì)發(fā)現(xiàn)它很容易卡在試管口（如圖3）。為了不使產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，我們只能借助物理方法取出產(chǎn)物，但是這些物理方法很容易造成試管的破裂（圖4為用玻璃棒在松動(dòng)產(chǎn)物時(shí)使試管破裂）。如此一來，就無法用磁鐵吸引產(chǎn)物，影響了后續(xù)實(shí)驗(yàn)中判斷是否產(chǎn)生了新物質(zhì)。

二、改進(jìn)思路

由于試管內(nèi)裝有鐵粉與硫黃的加熱裝置會(huì)帶來較多問題，因此在設(shè)計(jì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)時(shí)主要對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)。一些觀點(diǎn)認(rèn)為[1-3]，可以將反應(yīng)裝置進(jìn)行密閉處理，從而減少副產(chǎn)物二氧化硫帶來的危害。但是這樣的改進(jìn)思路也大大提高實(shí)驗(yàn)操作的難度，所以在對本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，我并沒有選擇密閉的裝置。為了減少硫黃與氧氣之間的反應(yīng)，我選擇將鐵粉與硫黃在紙槽內(nèi)搗實(shí)，減少鐵粉、硫黃及紙槽間的空隙，從而減少硫黃與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化硫。

三、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)材料

條形磁體一根；研缽一個(gè)；研杵一根；玻璃棒一根；石棉網(wǎng)一張；漏斗一個(gè)；膠帶、銅絲、濾紙若干；適量的鐵粉與硫黃。

四、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)步驟

1.制作紙筒

將濾紙緊貼玻璃棒卷起，并用膠帶在底部封口（如圖5）。未封口的一端留作裝填藥品的入口，制成可裝藥品的紙筒。

2.制作銅架

利用玻璃棒制成的紙筒較細(xì)，不方便直接豎立在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，此時(shí)可以利用銅絲制成如圖6所示的銅架，輔助紙筒豎立在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。由于本實(shí)驗(yàn)是放熱實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)的過程中會(huì)放出大量的熱，所以選擇將銅架放置在石棉網(wǎng)上方，以此來更好地保護(hù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。因?yàn)殂~的熔點(diǎn)較高，所以此銅架可以反復(fù)使用。

3.將藥品裝入紙槽

在反應(yīng)開始之前，先用磁鐵吸引研缽內(nèi)的混合粉末，觀察到能夠吸起粉末，即可證明其中含有鐵粉（如圖7）。由于紙槽口較小，不便直接裝入藥品，可利用漏斗作為輔助工具，將混合粉末通過漏斗裝入紙槽（如圖8），并將其搗實(shí)放置于石棉網(wǎng)上的銅架內(nèi)。需要說明的是，經(jīng)過多次改變鐵粉與硫黃的混合比例后的實(shí)際效果發(fā)現(xiàn)：將鐵粉與硫黃以7：4的質(zhì)量比混合，并在研缽內(nèi)研細(xì)使兩者混合均勻，加熱后既可以觀察到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，又能極大地減少二氧化硫的生成，是比較理想的混合比例。

4.進(jìn)行反應(yīng)

利用酒精燈外焰將玻璃棒一端燒至紅熱（此過程大約需要30秒左右），隨即迅速地將已經(jīng)燒紅的玻璃棒一端伸入紙槽內(nèi)（如圖9）。可以觀察到鐵粉與硫黃發(fā)生劇烈的反應(yīng)，放出大量的熱，并伴隨紅光（如圖10），產(chǎn)生不能被磁鐵吸引的黑色固體（如圖11）。

五、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

1.雖為微型實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象卻十分明顯

紙筒空間有限，只能取少量的鐵粉與硫黃的混合物裝入紙筒內(nèi)，所以這個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)屬于微型實(shí)驗(yàn)，客觀上也減少了藥品的消耗。鐵粉和硫黃發(fā)生的反應(yīng)是劇烈的放熱過程，雖然兩者混合后質(zhì)量不多，但從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來看，兩者發(fā)生反應(yīng)后的現(xiàn)象依然十分明顯。

2.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后產(chǎn)生的污染物顯著減少

在對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)后，產(chǎn)生的污染物顯著減少，具體表現(xiàn)在教室中刺激性氣味幾乎聞不到。究其原因，主要是以下兩個(gè)方面：一方面在于微型實(shí)驗(yàn)的先天優(yōu)勢，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)所取的藥品量比較少，無形中也就減少了產(chǎn)生二氧化硫的原材料。另一方面在于改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中簡易的“密閉效果”：先將藥品研細(xì)混合均勻，再裝入紙筒后搗實(shí)，減少鐵粉、硫黃及紙槽間的空隙，意味著硫黃與更少的氧氣接觸，從而達(dá)到減少二氧化硫的生成。

3.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后操作簡便

要減少鐵粉與硫黃在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物二氧化硫，很多文獻(xiàn)提到的改進(jìn)思路都是利用密閉容器來達(dá)到改進(jìn)目的。本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)摒棄了這一改進(jìn)思路，因?yàn)闊o論是在哪一種密閉容器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，制作適合的密閉容器以及對容器內(nèi)的混合物進(jìn)行加熱都會(huì)提升實(shí)驗(yàn)的操作難度。在這個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案中，除了銅架需要教師課前準(zhǔn)備外，其他器材均可通過學(xué)生在課堂上的活動(dòng)來制作完成，在操作過程中不再需要擔(dān)心試管是否會(huì)因劇烈的反應(yīng)而破裂，也無需絞盡腦汁地考慮如何取出黏在試管上的黑色固體。當(dāng)實(shí)驗(yàn)具備可操作性的條件時(shí)，教師才能真正地將教材中的“學(xué)生活動(dòng)”落到實(shí)處。

參考文獻(xiàn)

[1]齊俊林，宋艷芝.全封閉式鐵與硫的反應(yīng)簡易演示器[J].化學(xué)教育，2010（3）：91

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[3]李躍春.關(guān)于鐵與硫黃反應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2002（5）：15