硫和鐵反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

司二偉 馮高峰

摘要： 針對(duì)硫和鐵反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)充分暴露在空氣中且沒有采取無害化處理的問題，設(shè)計(jì)并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，具體為：通入氮?dú)馀懦w系中氧氣的干擾，避免實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境污染；對(duì)鐵粉除雜確保只有鐵和硫參與反應(yīng)；利用磁鐵實(shí)現(xiàn)硫和鐵的分離；通過檢驗(yàn)生成物中鐵元素的價(jià)態(tài)，確定生成物的成分。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)，裝置簡單，取材方便，能夠有效防止有毒氣體的生成，方便用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞： 鐵和硫反應(yīng)； 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)； 實(shí)驗(yàn)探究； 磁鐵; 鐵元素價(jià)態(tài)

文章編號(hào)： 1005-6629（2023）04-0067-04

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 問題提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將“硫的主要性質(zhì)”寫入了“常見無機(jī)物及其應(yīng)用”的內(nèi)容要求中，要求通過實(shí)驗(yàn)探究了解硫的主要性質(zhì)，認(rèn)識(shí)物質(zhì)在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響［1］。硫的性質(zhì)是高中化學(xué)階段考察的重要內(nèi)容之一，教材對(duì)硫的性質(zhì)設(shè)置了多個(gè)實(shí)驗(yàn)。新人教版普通高中化學(xué)教材［2］必修第二冊(cè)第五單元第一節(jié)“硫及其化合物”中提到，硫能與許多金屬單質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫化物，化學(xué)性質(zhì)比較活潑。在正文部分沒有針對(duì)硫與金屬的反應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)進(jìn)行探究，僅在教材實(shí)驗(yàn)活動(dòng)5中介紹到“將0.5g硫粉和1.0g鐵粉均勻混合，放在石棉網(wǎng)（或陶土網(wǎng)）上堆成條狀。用灼熱的玻璃棒觸及混合粉末的一端，當(dāng)混合物呈紅熱狀態(tài)時(shí)，移開玻璃棒”，見圖1。

針對(duì)此實(shí)驗(yàn)存在的不合理部分提出幾點(diǎn)疑問，見表1。

綠色化學(xué)理念［3］指出，防治污染的最佳途徑就是從源頭消除污染，傳統(tǒng)化學(xué)中那些破壞環(huán)境的反應(yīng)將逐漸被環(huán)境友好的化學(xué)反應(yīng)所替代，體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科發(fā)展的新價(jià)值觀。將綠色化學(xué)［4］應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐中，有利于幫助學(xué)生深刻理解綠色化學(xué)的內(nèi)涵和重要價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)?！翱茖W(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”核心素養(yǎng)要求化學(xué)學(xué)科體現(xiàn)節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識(shí)。因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路應(yīng)滲透綠色化學(xué)思想，并體現(xiàn)安全意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，據(jù)此提出幾項(xiàng)可行性的設(shè)計(jì)，見表2。

2? 文獻(xiàn)概述

針對(duì)硫和鐵的反應(yīng)存在的問題，不少學(xué)者設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置，提出優(yōu)化方案，大多改進(jìn)方案從實(shí)驗(yàn)裝置方面設(shè)想，見表3。可以發(fā)現(xiàn)，大多研究者的實(shí)驗(yàn)裝置傾向于簡易性、生活化，指向純粹的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，較少學(xué)者將實(shí)驗(yàn)與教學(xué)相結(jié)合。在化學(xué)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)應(yīng)服務(wù)于教學(xué)，體現(xiàn)教學(xué)思想，彰顯學(xué)科價(jià)值和育人價(jià)值。因此，在朝著更符合核心素養(yǎng)和綠色化學(xué)理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)邁進(jìn)的同時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)方面：（1）設(shè)計(jì)的硫與鐵實(shí)驗(yàn)裝置的目的不應(yīng)該只是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，還需要在課堂上培養(yǎng)學(xué)生不斷分析、推理的證據(jù)意識(shí)，滲透化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)；（2）教材中設(shè)置本實(shí)驗(yàn)的目的是通過硫與鐵的實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)到硫具有氧化性，且硫單質(zhì)的氧化性小于氧單質(zhì)和氯單質(zhì)的氧化性。但以往的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)較側(cè)重于硫和鐵本身的反應(yīng)，沒有思考該實(shí)驗(yàn)在教材中所起的作用。

案例研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)者的研究是利用簡單裝置使硫和鐵的反應(yīng)在密閉體系中進(jìn)行，避免暴露在空氣中，同時(shí)利用氫氧化鈉溶液吸收尾氣。但實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)還存在一定量空氣，在反應(yīng)過程中會(huì)生成有毒氣體。因此，有必要對(duì)硫與鐵的反應(yīng)裝置做進(jìn)一步的改進(jìn)。

3? 硫與鐵的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1? 設(shè)計(jì)思路

對(duì)實(shí)驗(yàn)成功的要素進(jìn)行分析，見圖2。從避免二

氧化硫的生成、需要得到目標(biāo)產(chǎn)物——硫化亞鐵這兩個(gè)角度提出合理化的措施，然后再進(jìn)行細(xì)分優(yōu)化。結(jié)合物質(zhì)變化的多方位宏觀表現(xiàn)和離子反應(yīng)的微觀變化需分析產(chǎn)物中鐵元素的化合價(jià)；在設(shè)計(jì)過程中要考慮培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)的組成進(jìn)行猜測(cè)、假設(shè)的辯證思維，并根據(jù)假設(shè)提出可行性的措施，以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出有探究價(jià)值問題的能力，提高環(huán)保意識(shí)。

3.2? 實(shí)驗(yàn)原理

在加熱條件下，鐵粉和硫粉受熱生成黑色的硫化亞鐵，化學(xué)方程式：

S+Fe△FeS

檢驗(yàn)二價(jià)鐵，稀硫酸與硫化亞鐵反應(yīng)：

FeS+H2SO4FeSO4+H2S↑

3.3? 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

儀器和材料：鐵架臺(tái)、酒精燈、導(dǎo)管、硬質(zhì)玻璃管、燒杯、球形干燥管、膠皮管、充滿氮?dú)獾臍馇?、小木塊

藥品：3mol/L硫酸溶液、鐵粉、硫粉、2mol/L氫氧化鈉溶液

3.4? 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，由氧氣排出裝置、硫和鐵反應(yīng)裝置、防倒吸裝置組成。為避免生成污染性氣體，利用氣球通入氮?dú)猓ㄟ^玻璃旋塞調(diào)整氣流大小排出體系中的空氣，防止實(shí)驗(yàn)中氧氣與硫發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生二氧化硫。

3.5? 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1） 組裝實(shí)驗(yàn)儀器，檢查裝置氣密性。將球形干燥管伸入到水槽液面以下，左側(cè)導(dǎo)管口套上氣球，酒精燈微加熱硬質(zhì)玻璃管，發(fā)現(xiàn)球形干燥管口有氣泡冒出，左側(cè)氣球鼓起來且不漏氣。停止加熱恢復(fù)至室溫后，球形干燥管下端口形成一段水柱，氣球變癟，則說明氣密性完好。

（2） 裝入藥品。稱量0.6g硫粉和1.2g鐵粉，混勻后放置在硬質(zhì)玻璃管的中央，分散鋪平，方便觀察。

（3） 制作氮?dú)馇?。取下?dǎo)管左端的氣球，借助氮?dú)馄俊⒋驓鈽?，向氣球中充入氮?dú)?，將充滿氮?dú)獾臍馇蛑匦绿自谘b置左端。

（4） 用磁鐵吸引鐵粉（如圖3）。鐵粉受到吸引聚集在硬質(zhì)玻璃管內(nèi)部的上面，實(shí)現(xiàn)硫單質(zhì)和鐵單質(zhì)分離。

（5） 鼓入氮?dú)?。調(diào)整玻璃旋塞，緩慢釋放氣球里面的氮?dú)?，排出裝置里面的空氣，干燥管出氣口有均勻連續(xù)氣泡冒出，關(guān)閉旋塞。

（6） 點(diǎn)燃酒精燈。對(duì)硫粉加熱4分鐘，產(chǎn)生硫蒸氣，與鐵粉接觸發(fā)生反應(yīng)，有紅熱現(xiàn)象且反應(yīng)速度較快，證明反應(yīng)較為強(qiáng)烈，吸附在硬質(zhì)玻璃管內(nèi)壁上方的鐵粉量逐漸減少，有黑色物質(zhì)生成。

（7） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束。待冷卻至室溫，從右至左拆除裝置，將充分反應(yīng)后的物質(zhì)取出，搗散后放在潔凈干燥的濾紙上面以備用。

3.6? 二價(jià)鐵的檢驗(yàn)

用磁鐵使濾紙上面的生成物與鐵分離，搭建裝置，見圖4，檢查裝置氣密性。將分離出鐵粉后的固體加入到錐形瓶中，向分液漏斗中加入一定體積的稀硫酸溶液（3mol/L），向燒杯中加入氫氧化鈉溶液以處理產(chǎn)生的硫化氫氣體。將分液漏斗中的稀硫酸慢慢滴入錐形瓶中，立即發(fā)生反應(yīng)，并放出大量氣體，從導(dǎo)管通入燒杯被氫氧化鈉溶液吸收。取反應(yīng)后的溶液各3mL分別加入到甲、乙試管中。甲試管滴加兩滴鐵氰化鉀溶液；乙試管滴入硫氰化鉀溶液，接著加入5滴30%過氧化氫溶液。甲試管中發(fā)現(xiàn)特征藍(lán)色沉淀；乙試管加入硫氰化鉀溶液沒有明顯變化，繼續(xù)加入過氧化氫溶液，顏色變成血紅色。兩種方法均證明有二價(jià)鐵離子產(chǎn)生。

通過上述一系列實(shí)驗(yàn)，保證設(shè)計(jì)的硫和鐵反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置沒有污染性氣體排放到空氣中，并且還檢驗(yàn)了生成物中鐵元素的價(jià)態(tài)，證明產(chǎn)物是硫化亞鐵。

4? 結(jié)語

本文利用簡單的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)密閉體系中硫粉和鐵粉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，利用氮?dú)饣瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)有效地從源頭消除了實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生污染的問題。巧妙運(yùn)用磁鐵分離鐵粉和硫粉從而多方位感受物質(zhì)變化的過程，通過檢驗(yàn)反應(yīng)生成物是硫化亞鐵豐富了教材的實(shí)證研究。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路中滲透“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”等素養(yǎng)，反映了素質(zhì)教育改革的整體方向。

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