鐵生銹實驗的再改進

周良建 錢勝 涂洪亮 陳勇

摘要： 對已有的鐵生銹實驗進行歸類、分析，結合義務教育化學課程標準中實驗探究活動的相關建議和要求，利用鋼絲棉、軟塑料吸管、恒溫加熱杯墊等物品對該實驗進行了再改進。改進后的實驗具有裝置簡單、操作便捷、實驗高效、試劑節(jié)省、溫度可控、拓展性強等優(yōu)點，可以作為中學生開展深度學習與自主合作學習的探究實驗。

關鍵詞： 鐵生銹； 鋼絲棉； 塑料吸管； 實驗改進

文章編號： 10056629（2024）01007504

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題及概述

“探究鐵釘生銹的條件”［1］是《義務教育化學課程標準（2022年版）》“科學探究與化學實驗”“物質的性質與應用”兩大學習主題中學習活動建議的實驗探究活動。該實驗探究活動由于能幫助學生經(jīng)歷真實的探究過程，增進學生對化學科學探究本質的理解，形成科學的探究思路與方法，發(fā)展學生科學探究能力和創(chuàng)新意識，在現(xiàn)行不同版本的教材中一直被作為重要教學內(nèi)容。該實驗雖具有裝置簡約、易操作等優(yōu)點，但都存在實驗耗時長、空間跨度大、實驗結果反饋不及時等問題。為此眾多化學工作者對其進行了創(chuàng)新改進。

汪前進［2］等利用鋼絲棉等“細鐵絲”增大鐵與氧氣、水（或食鹽水）的接觸面積（如圖1所示），將鐵生銹的實驗現(xiàn)象從幾天縮減到2天～40min。但這類實驗裝置仍耗時較長，不便于教師攜帶與學生使用，還缺少鐵分別與氧氣和水單獨作用的對比實驗。

李娜［3］等設計的“供氧”裝置（如圖2所示），通過向裝置中持續(xù)通入純凈的氧氣使鐵絲能在5～10min內(nèi)快速生銹。同時，還能避免空氣中其他成分對實驗產(chǎn)生的影響，快速完成鐵絲和氧氣在有水或無水環(huán)境下的對比實驗。但這類裝置也存在制氧試劑用量大、不便攜帶、組裝繁瑣等問題。

潘國榮［4］研究發(fā)現(xiàn)利用70℃左右的熱水對裝有蒸餾水、空氣和鐵釘?shù)脑嚬苓M行水浴加熱，可在3min左右觀察到鐵釘表面出現(xiàn)銹斑，若向試管中的水加入酸或鹽等電解質會使鐵釘銹蝕更快。但該實驗所用的鐵釘需在實驗前用稀酸作表面處理，且洗凈后要迅速干燥密封保存?zhèn)溆谩Ｗ鰧Ρ葘嶒灂r，還需要用鎂條去除蒸餾水中殘留的氧氣再進行實驗，以防止浸沒在蒸餾水中的鐵釘生銹對實驗結果產(chǎn)生影響。同時，由于該實驗的教學時段在冬季，實驗發(fā)現(xiàn)在燒杯中倒入200mL 70℃的熱水進行水浴加熱，水溫下降很快，鐵釘表面升溫慢，導致生銹速率減慢。

劉廣斌［5］利用經(jīng)過打磨除銹、堿液去油、氬氣快速干燥處理的鐵片，在“真空袋”中用抽氣泵進行“充氧”和“除氧”對比實驗。雖能在“充氧”的情況下2min左右觀察到鐵片表面出現(xiàn)銹跡。但上述實驗存在常規(guī)儀器使用少、氧氣用量多、氬氣不易找、前期準備復雜、處理后的鐵片需真空保存、不利于日常教學使用等問題。

通過對上述已有改進實驗的對比分析，在吸取這些實驗優(yōu)點的基礎上，創(chuàng)新設計了如圖3所示的改進裝置。經(jīng)多次實驗驗證，該裝置攜帶更加方便，師生操作更加簡單，實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)更快，有利于日常教學使用。

2 實驗部分

2.1 實驗用品

鋼絲棉（規(guī)格0000#）、250mL小燒杯、15mm×150mm試管（容積約為25mL）若干、膠頭滴管、橡膠塞、100mL裝有氧氣的醫(yī)用注射器1支、50mL醫(yī)用注射器1支、微型二通閥、注射用塑料軟管、盛熱水的保溫杯、恒溫加熱杯墊、PP（聚丙烯）材質白色軟塑料吸管（管徑12mm）、剪刀、碎瓷片

2.2 制作方法

（1） 將白色PP（聚丙烯）材質的軟塑料吸管下端50mm長的區(qū)域先壓扁，再用剪刀在該區(qū)域兩個側面分別斜向上剪口約8mm，再將塑料軟管旋轉90°壓扁再剪口。然后，將剪成“V”形口的塑料片向上翻出形成開孔，具體操作如圖4所示。

（2） 取少許鋼絲棉拉制成直徑約為100mm、厚度僅為1mm的薄鋼絲網(wǎng)。按圖5所示步驟，利用開孔的塑料吸管將薄鋼絲網(wǎng)推入試管內(nèi)，并借助塑料吸管表面上翻的“V”形塑料片將鋼絲棉緊壓在試管內(nèi)壁制得“備用試管”。

2.3 操作步驟

（1） 將保溫杯中的熱水約200mL注入裝有碎瓷片的燒杯中，放在恒溫加熱墊上加熱至沸騰后切換至二檔加熱，并維持85℃的水溫。加熱過程中用50mL注射器吸取燒杯中約25mL熱水，向一支備用試管③中注滿熱水，并用橡膠塞塞緊放入燒杯中繼續(xù)水浴加熱。

（2） 另取一支備用試管①，用膠頭滴管取燒杯中的熱水約2mL加入該試管中。

（3） 用裝有100mL純凈氧氣的注射器，打開二通閥分別向裝有2mL熱水的備用試管①和沒有裝水的備用試管②中緩慢各注入約30mL氧氣，并用橡膠塞塞緊后充分振蕩。

（4） 將上述兩支備用試管振蕩后，同時放入燒杯中加熱，并觀察三支試管中的實驗現(xiàn)象。

具體實驗操作步驟，如圖6所示。

2.4 注意事項

（1） 選用管徑為12mm的白色PP（聚丙烯）材質軟塑料吸管，在管壁上剪出“V”形口。上翻的“V”形塑料片不僅利于鋼絲棉緊貼在試管內(nèi)壁，管壁的開孔還能使鋼絲棉與氧氣充分接觸，便于鋼絲棉在水浴加熱的情況下快速生銹。同時，選用白色塑料吸管除了具有可重復利用的優(yōu)點外，還方便在實驗中觀察鋼絲棉生銹的現(xiàn)象。

（2） 通過對不同規(guī)格鋼絲棉在85℃的水浴中與純氧和蒸餾水共同作用時生銹快慢的研究（見表1），發(fā)現(xiàn)選用規(guī)格為0000#的鋼絲棉用于實驗效率最高。若遇鋼絲棉在空氣中久置存放實驗效果不佳時，則可用稀酸對鋼絲棉進行浸泡處理，再用蒸餾水洗凈后用于實驗，能達到同樣的效果。

（3） 實驗中須使用85℃恒溫水浴進行加熱。通過實驗發(fā)現(xiàn)，使用100℃沸水浴持續(xù)進行加熱，不僅會使鋼絲棉表面生成黑色的四氧化三鐵，導致觀察不到紅棕色鐵銹產(chǎn)生的現(xiàn)象，還會因為水沸騰過程中不斷產(chǎn)生的氣泡，影響實驗現(xiàn)象的觀察。

（4） 加熱過程中燒杯底部需鋪一層顆粒較小的碎瓷片，防止水爆沸濺出。

（5） 剛加熱結束的恒溫杯墊應注意避免接觸性燙傷。

3 實驗再改進的優(yōu)點

3.1 操作便捷易調(diào)控，現(xiàn)象明顯、實驗效率高

改進后的裝置只需通過“注熱水→通電源→加熱水→通氧氣→共水浴”等五步簡單操作，即可在2分鐘以內(nèi)觀察到鋼絲棉生銹的現(xiàn)象，有利于提高課堂效率。同時，實驗中可通過調(diào)節(jié)恒溫加熱杯墊檔位與添加冷水的量，能實現(xiàn)快速調(diào)控燒杯中的水溫，從而探究溫度高低對鐵銹蝕快慢的影響情況（見表2）。

3.2 節(jié)約藥品，有益拓展探究

利用改進后的裝置進行實驗，氧氣用量明顯減少。在純氧環(huán)境下，即使不使用干燥劑，處于85℃水浴中的鋼絲棉在試管中也不會生銹。同時，在沒有蒸餾水的情況下，使用煮沸的普通飲用水注入備用試管中進行實驗，對實驗現(xiàn)象無明顯影響。

該裝置不僅可以探究鐵生銹的條件，還可用注射器控制通入試管中氧氣的量，探究不同濃度氧氣對鐵生銹快慢的影響（見表3）。同時，也可用注射器向試管中加入等量且等濃度的醋酸、氨水、氯化鈉等溶液，快速探究酸、堿、鹽等不同電解質對鐵銹蝕快慢的影響（見表4），增強了實驗的拓展性、探究性和趣味性。

3.3 引導深度學習，有助開展自主學習

利用改進裝置的可拓展性與易操作性，在教師的引導下學生利用注射器和膠頭滴管控制添加試劑的種類與用量，可快速實現(xiàn)從單一環(huán)境到復雜環(huán)境、從定性到定量、從相似環(huán)境到陌生環(huán)境的分層遞進式深度學習過程。這不僅可以為學生高中化學的學習銜接鋪路，也能輔助教師針對“化學大概念”［6］開展大單元教學設計。

將該實驗裝置在我校10個教學班級中進行實踐應用，還發(fā)現(xiàn)學習小組的同學都能根據(jù)實驗中的現(xiàn)象，提出鐵生銹的快慢與溫度、氧氣濃度、鋼絲棉的粗細等有關的探究性問題。并且能利用該實驗裝置對提出的問題在課堂中開展自主合作探究，實現(xiàn)學生從引導式的探究學習過程，自然過渡到有深度的自主學習過程。

總之，通過本實驗的改進不僅讓師生實驗操作更加便捷，現(xiàn)象更加明顯，結論更加可靠，也為師生的教與學提供了更好的拓展空間，幫助教師和學生在課堂中形成生成性的學習資源，讓課堂探究過程更具有自主性與可操作性，讓學生在課堂中真正實現(xiàn)“做中學”“用中學”“創(chuàng)中學”。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

［2］汪前進. 關于鐵生銹實驗的改進［J］. 化學教學， 2002，（11）： 8～9.

［3］李娜， 張辰剛. 探究鐵生銹條件實驗的改進［J］. 實驗教學與儀器， 2012， 29（1）： 27.

［4］潘國榮， 李文勇， 陳正美. 探究“鐵的銹蝕條件”實驗創(chuàng)新設計［J］. 化學教育， 2016， 37（11）： 73～75.

［5］劉廣斌. “鐵銹蝕條件的探究”實驗的創(chuàng)新設計［J］. 實驗教學與儀器， 2022， 39（4）： 37～39.

［6］吳星. 以大概念統(tǒng)領設計義務教育化學課程內(nèi)容——《義務教育化學課程標準（2022年版）》解讀（二）［J］. 化學教學， 2022，（11）： 3～8.