鐵燃燒實驗的煙花教具制作

楊宇 萬香琴 廖運文 高和軍

摘要： 利用比表面積較大的鋼絲棉、鐵粉，實驗室常見的鐵絲、洗耳球、蒸發(fā)皿等創(chuàng)作“煙花棒”和“噴粉煙花”兩個實驗教具，使鐵在空氣中燃燒，并將鐵燃燒火星四射的實驗現(xiàn)象以煙花綻放的形式呈現(xiàn)，使鐵燃燒反應的條件、原理、現(xiàn)象和應用等相關理論知識具體化和趣味化。該實驗教具儀器易得、制作步驟簡單、實驗現(xiàn)象明顯、觀賞性強、操作安全性高，且不需要在純氧中進行。

關鍵詞： 鐵燃燒; 實驗改進; 教具制作; 初中化學

文章編號： 10056629（2022）02006403

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

鐵燃燒實驗是初中化學的一個經(jīng)典實驗，其美觀的實驗現(xiàn)象有助于激發(fā)學生學習化學的興趣和積極性。人教版九年級化學教科書中的鐵燃燒實驗操作是： 取一根干凈鐵絲，將其盤成螺旋狀，在下端系一根火柴并點燃，待火柴快燃盡時，插進集滿氧氣的集氣瓶中（瓶底覆蓋有水）。實驗現(xiàn)象為火星四射，生成黑色固體。但在進行此實驗時，發(fā)現(xiàn)以下幾個問題： （1）實驗需預先制備氧氣;（2）集氣瓶偶爾會發(fā)生炸裂。

針對實驗中出現(xiàn)的問題，不少教師進行了實驗改進[1～4]： 周良、甘磊等人將鐵絲換為鋼絲棉;蔡玲、齊崗等人將鐵絲換成鐵粉，改變鐵的比表面積，增加和氧氣的接觸，使鐵易在空氣中燃燒。這些改進方法在實驗成功率、觀賞性和可操作性上有很大提升，但仍有不宜在室內(nèi)演示、演示場地受限、安全性不足等弊端，詳見表1。

本實驗將書本知識與生活化學有效融合，基于體驗性、趣味性、安全性和科普性原則創(chuàng)作了兩個實驗教具。該教具既可以在任意場合操作演示，又取材于生活，彌補了已有改進方法的不足。

2 教具制作

鐵燃燒實驗是鐵和氧氣在點燃的條件下發(fā)生氧化反應，基于這一化學本質(zhì)，從操作簡單、現(xiàn)象明顯、成功率高等目標出發(fā)，創(chuàng)作了“煙花棒”和“噴粉煙花”兩個實驗教具，提高了實驗的體驗感和趣味性。

2.1 體驗式教具——煙花棒

2.1.1 實驗儀器和藥品

直徑1～2mm鐵絲、0000號超細鋼絲棉（簡稱鋼絲棉）、還原鐵粉（簡稱鐵粉）、打火槍、水

2.1.2 教具裝置圖

煙花棒教具裝置圖，如圖1所示。煙花棒教具實驗效果圖，如圖2所示。

2.1.3 教具制作與實驗步驟

（1） 將鐵絲做成喜歡的形狀（本文做的煙花棒常見形狀——桃心型），高和寬各為10cm，鐵絲的手柄長度為20cm左右。

（2） 取一塊鋼絲棉裁成條狀，寬度約1cm，長度約40cm。把鐵粉鋪在上面，將附有鐵粉的鋼絲棉纏繞在桃心型鐵絲上面。鋼絲棉纏繞在鐵絲上面需要疏松多孔，以增加鐵與氧氣的接觸面。

（3） 使用打火槍引燃煙花棒。煙花棒燃燒時火星四射，實驗效果如圖2所示。冷卻的火星形成黑色固體，可用磁鐵吸引。

（4） 當沒有火星產(chǎn)生時，表明鐵粉快燃盡，鋼絲棉快熄滅，應立即將剩有鋼絲棉的煙花棒伸入水中熄滅。

（5） 實驗結束，整理實驗用品。

2.1.4 幾點說明

（1） 鋼絲棉是由超細的鐵絲構成，自身比表面積大，與空氣充分接觸，在空氣中可點燃，點燃后有火星產(chǎn)生但不會四處飛濺，短暫燃燒后熄滅（生成的不可燃燒物四氧化三鐵附著在表面，隔絕氧氣，導致燃燒終止），不會產(chǎn)生煙花綻放的現(xiàn)象。若鋼絲棉燃燒過程中快速旋轉(zhuǎn)或鼓風[9，10]，四氧化三鐵掉落，呈現(xiàn)火星飛濺的壯觀現(xiàn)象，但因圓周運動過快，火星濺射范圍和速度不可控，使實驗安全性較低。因此，僅用鋼絲棉纏繞在鐵絲上不能完成安全性高且現(xiàn)象明顯的煙花棒的制作。

（2） 鐵粉自身比表面積更大，可在空氣中點燃。燃燒現(xiàn)象為火星四射，生成黑色固體，與教材中描述的鐵燃燒實驗現(xiàn)象完全一致。但鐵粉難以制作煙花棒，需要將鐵粉附著在鐵絲上面。

（3） 鋼絲棉像棉花一樣疏松多孔，能夠起附著鐵粉的作用。棉花燃燒是分解燃燒，有火焰產(chǎn)生;鐵燃燒是表面燃燒，無火焰產(chǎn)生。為了不干擾學生對鐵燃燒實驗現(xiàn)象的觀察，最終選擇質(zhì)地是鐵的鋼絲棉作為附著鐵粉的載體。

（4） 鐵絲在該實驗中主要起固定形狀的支撐作用。鐵絲比表面積小，在空氣中不可燃燒，與鐵粉、鋼絲棉共同起對照作用，證明燃燒反應不僅和教材中的3項條件相關，還與“比表面積有關”，增加了燃燒反應的新知識及其探究性。

（5） 在操作過程中可適當揮動煙花棒，使生成的黑色固體掉落，促進鋼絲棉的燃燒，觀賞效果更佳。

（6） 制作煙花棒應保證手柄有足夠的長度，約為鐵絲形狀高度的兩倍。這樣制作的煙花棒觀賞性強且安全度高。鋼絲棉纏繞在鐵絲上面時要注重疏松度： 一是增大鋼絲棉和氧氣的接觸面，延長鋼絲棉燃燒的時間;二是讓鐵粉燃燒產(chǎn)生的火星飛濺出來。

2.1.5 教具優(yōu)點

煙花棒實驗操作簡單，現(xiàn)象明顯，易觀察。在幫助學生鞏固知識點的同時，使學生體驗到實驗的樂趣，激發(fā)學生的探究欲望，提高學生的動手操作能力。

（1） 該教具可以在學習完鐵燃燒實驗后使用，教師指導學生分小組合作，自制完成一個煙花棒，培養(yǎng)同學間的協(xié)同合作精神。

（2） 增強學生體驗感。學生根據(jù)自己意愿制作一個生活中真實可見的煙花棒，強化了對課本知識的理解和應用。學生在燃放自制煙花棒的過程中切實體會到化學的神奇與魅力，增強了化學實驗的體驗感。

（3） 鐵粉和鋼絲棉在空氣中燃燒時，鐵絲發(fā)熱，沒有燃燒，通過對比得出結論： 鐵自身的比表面積越大，與氧氣的接觸面就越大，燃燒現(xiàn)象就越明顯、劇烈。

2.2 趣味型教具——噴粉煙花

2.2.1 實驗儀器和藥品

鐵粉、洗耳球、剪刀、小型普通漏斗（簡稱漏斗）、橡膠管、蒸發(fā)皿、乙醇溶液、打火槍、白色托盤、濕抹布

2.2.2 教具裝置圖

噴粉煙花教具裝置圖，如圖3所示。噴粉煙花教具實驗效果圖，如圖4所示。

2.2.3 教具制作與實驗步驟

（1） 用剪刀將洗耳球從尖嘴部約1.5cm處剪斷。

（2） 將漏斗插進洗耳球球體部分。通過漏斗將鐵粉裝進洗耳球中。

（3） 剪一小節(jié)（約2cm）橡膠管，利用橡膠管和洗耳球之間的摩擦力將洗耳球剪下的兩個部分連接起來（教具制作步驟圖，見圖5）。

（4） 將蒸發(fā)皿放在白色托盤上，向蒸發(fā)皿中加入蒸發(fā)皿容積1/3的乙醇溶液，并用打火槍點燃。

（5） 用改裝的內(nèi)裝有鐵粉的洗耳球朝上述點燃的火焰的外焰噴鐵粉，可見到火星四射的燦爛煙花。

（6） 用濕抹布蓋滅火焰，整理實驗用品。

2.2.4 注意事項

制作該教具時，剪斷洗耳球尖端的長度，不宜過長，也不宜過短。過長造成口徑太大，不好封口;過短造成口徑太小，裝不進鐵粉。

2.2.5 教具用途多樣化

該教具還可用于焰色反應實驗。將鉀、鈉、鋇、鍶等7種金屬鹽粉末，按上述步驟分別裝進7個改裝過的洗耳球中。點燃蒸發(fā)皿中的乙醇溶液，依次用上述洗耳球朝蒸發(fā)皿的外焰噴粉。

2.2.6 教具優(yōu)點

（1）可用于教師演示實驗，也可用于學生分組實驗;（2）制作簡單;（3）該教具產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象壯觀，璀璨奪目，讓學生在實驗過程中更好地接受知識，強化理解，深化學習;（4）白色托盤和生成的黑色固體形成強烈色差，便于學生觀察實驗現(xiàn)象和檢驗產(chǎn)物。托盤可接住生成物，保持桌面整潔。

3 總結與反思

實驗改進不是一蹴而就，而是不斷試錯，不斷優(yōu)化。煙花棒教具最初使用棉花作為鐵粉的載體，但棉花燃燒是分解燃燒，有干擾。查閱資料后將棉花和鐵粉的組合改為鋼絲棉，但鋼絲棉燃燒較為安靜，沒有火星四射的現(xiàn)象出現(xiàn)，與教材描述的內(nèi)容不符，且實驗現(xiàn)象觀賞性不強。于是又嘗試改為鋼絲棉和鐵粉組合，這樣既排除了棉花的火焰干擾，又能呈現(xiàn)煙花盛宴。利用洗耳球創(chuàng)作噴粉煙花時，最初是在洗耳球球體劃開一條口，利用漏斗裝鐵粉，用透明膠封口，多次擠壓洗耳球后就會有鐵粉漏出，密封性不好。經(jīng)多次改進后想到，橡膠管和洗耳球尖端有較強的摩擦力，增強了噴粉球的密封性，最終創(chuàng)作出了噴粉煙花實驗。

參考文獻：

[1][9]周良， 魏海， 王會， 李德前. 以超細鋼絲棉替代鐵改進兩個化學實驗[J]. 化學教學， 2018， （6）： 76～79.

[2][5][10]甘磊， 李德前， 張羿. 鐵燃燒實驗的兩種新改進[J]. 中小學實驗與裝備， 2019， 29（4）： 29～31.

[3][6]蔡玲. 巧用鐵粉改進“鐵的性質(zhì)”實驗[J]. 實驗教學與儀器， 2020， 37（10）： 30～32.

[4][7]齊崗. 設計對比實驗探究促進燃燒的方法——以“鐵粉的燃燒”為例[J]. 中學化學教學參考， 2019， （16）： 56.

[8]劉蕊， 丁偉. “固體燃燒”相關問題釋疑——從“鐵燃燒”實驗說起[J]. 化學教學， 2010， （2）： 75～77.