“鐵絲在氧氣中燃燒的探究”實驗教學(xué)設(shè)計

周志源+陳建安

摘要：圍繞鐵絲在氧氣中燃燒的影響因素設(shè)計探究實驗，重點探究氧氣濃度、接觸面積對鐵燃燒的影響，同時探究鐵絲燃燒過程中產(chǎn)生火星四射現(xiàn)象與鐵絲中含碳量的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：鐵絲燃燒；氧氣濃度；含碳量

文章編號：1005–6629（2014）2–0037–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 設(shè)計理念

“鐵絲在氧氣中燃燒”實驗是滬教版九年級化學(xué)教材中一個關(guān)于氧氣性質(zhì)的簡單驗證實驗。因考慮到學(xué)情等因素，新授課的教學(xué)重點是實驗基本操作、實驗現(xiàn)象觀察、反應(yīng)文字表達式書寫等方面。經(jīng)過近一年的學(xué)習(xí)，學(xué)生的化學(xué)觀念已基本形成，化學(xué)學(xué)習(xí)及科學(xué)探究能力也有了一定的提高，故而在復(fù)習(xí)課教學(xué)中，對該實驗展開深度探究就有了可能。在教學(xué)中，要通過對學(xué)生的思維潛能的挖掘，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，真正體現(xiàn)“把培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣、提高科學(xué)素養(yǎng)放在首要的位置”。

2 實驗教學(xué)目標分析

2.1 知識與技能

（1）學(xué)會用排水法收集一定體積分數(shù)的氧氣；

（2）學(xué)會酒精燈、坩堝鉗等常見化學(xué)儀器的使用方法；

（3）學(xué)會鐵絲燃燒實驗的操作技巧和實驗規(guī)范。

2.2 過程與方法

培養(yǎng)學(xué)生的問題意識、質(zhì)疑意識及動手能力，使學(xué)生逐步形成獨立思考的能力。

2.3 情感態(tài)度與價值觀

（1）培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)觀、探究觀，體驗化學(xué)探究的樂趣，感受化學(xué)物質(zhì)及反應(yīng)的魅力；

（2）培養(yǎng)學(xué)生深度思考的習(xí)慣，體驗化學(xué)世界的美妙；

（3）引導(dǎo)學(xué)生贊賞化學(xué)，提升科學(xué)素養(yǎng)和激發(fā)研究潛能。

3 實驗教學(xué)過程

實驗：在空氣中點燃鎂條及鐵絲（鐵絲末端系一根火柴），觀察實驗現(xiàn)象。

學(xué)生：討論、分析鐵絲燃燒實驗失敗原因。

教師：提示從燃燒條件角度進行分析。

（引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系鐵絲在氧氣中順利燃燒的現(xiàn)象進行討論、分析，得出實驗失敗的原因和氧氣有關(guān)。可能原因是：氧氣濃度不足或和氧氣接觸不充分）

設(shè)計意圖：通過對實驗現(xiàn)象的對比觀察，引發(fā)學(xué)生質(zhì)疑，結(jié)合已有知識進行分析、討論，得出鐵絲燃燒失敗的原因，并為后續(xù)學(xué)習(xí)中討論鐵絲燃燒產(chǎn)生火星四射現(xiàn)象的原因做實驗鋪墊。

提問：鐵絲燃燒是不是一定需要純氧？

學(xué)生：討論，設(shè)計方案（有難度，教師提示）探究鐵絲燃燒和氧氣濃度的關(guān)系[1]，并進行如表1所示對比實驗，觀察實驗現(xiàn)象。

探究活動1：

教師：引導(dǎo)學(xué)生討論、分析，得出結(jié)論——鐵絲燃燒不一定需要純氧。

設(shè)計意圖：通過對氧氣濃度是否影響實驗的思考及討論，鼓勵學(xué)生設(shè)計相應(yīng)的探究方案，并進行實驗，進而對學(xué)生已有知識體系中的內(nèi)容作出修正。并鼓勵學(xué)生在課后的學(xué)習(xí)中做更多、更完備的系列氧氣濃度的實驗，最終得出鐵絲燃燒所需的最低氧氣濃度范圍，同時進一步訓(xùn)練學(xué)生的實驗基本操作技能（如收集不同濃度的氧氣操作等）。

提問：如何收集一瓶（330 mL）體積分數(shù)為80%的氧氣（瓶底要預(yù)留50 mL水）？

學(xué)生：思考、討論，如何收集一定體積分數(shù)的氧氣。

板書：收集體積分數(shù)為80%的氧氣需預(yù)留的空氣體積為x mL，則計算如下：

故應(yīng)需向集氣瓶中加入水的體積為（330-70）mL= 260 mL。

教師：用排水法收集時，只需將水排到50 mL預(yù)留水標志線處，即可停止收集，此時收集到的氧氣的體積分數(shù)即約為80%。

過渡：如何才能增加鐵和氧氣的接觸面積？

學(xué)生：回答——將鐵絲換成鐵粉。

學(xué)生：討論，分析，得出結(jié)論——隨著鐵粉粒徑的減小，鐵的活性也隨之增強，故納米鐵粉可以在空氣中自燃。

設(shè)計意圖：通過實驗及視頻的展示，使學(xué)生得出鐵和氧氣的接觸程度也是影響鐵在氧氣中能否順利燃燒的因素。對于其中還原鐵粉在酒精燈火焰上抖落的實驗，可以邀請學(xué)生進行演示，從而對學(xué)生產(chǎn)生強烈的實驗刺激，激發(fā)學(xué)生實驗探究的熱情。鐵粉自燃的視頻也印證了實驗的結(jié)論。

提問：鐵絲在燃燒時都出現(xiàn)了火星四射的現(xiàn)象，而鎂條燃燒卻沒有，是什么原因？

實驗演示及視頻展示：薄片狀小木炭（小煤塊）在氧氣中燃燒（圖4）、鋼鐵廠煉鋼時鋼花四濺的視頻（圖5）。

學(xué)生：討論、初步聯(lián)想。

教師：煉鋼的主要原料是生鐵，其中含有較多的碳元素，所以鋼廠工人會根據(jù)鋼花四射的現(xiàn)象由經(jīng)驗判斷出所煉得的鋼是否已達到要求。

學(xué)生：得出結(jié)論，火星四射的現(xiàn)象和鐵絲中的碳元素相關(guān)。

設(shè)計意圖：通過對鎂條燃燒及鐵絲燃燒實驗現(xiàn)象的回憶對比，提出問題——鐵絲燃燒為什么會火星四射？演示小木炭（或小煤塊）的目的即是引導(dǎo)學(xué)生進行知識遷移，根據(jù)觀察到的實驗現(xiàn)象，合理猜想，得出鐵絲燃燒時產(chǎn)生火星四射現(xiàn)象的原因和碳元素相關(guān)，進而從鋼廠煉鋼的視頻中得到相應(yīng)的驗證，同時為后續(xù)學(xué)習(xí)中含碳量對實驗現(xiàn)象的影響探究作必要的鋪墊，以免產(chǎn)生跳躍、唐突，影響學(xué)生探究結(jié)論的形成。

提問：既然和碳元素相關(guān)，含碳量的多少會對實驗現(xiàn)象產(chǎn)生何種影響？

學(xué)生：討論，設(shè)計方案（有難度，教師需出示實驗用品作必要的提示），進行如表2所示對比實驗，并觀察實驗現(xiàn)象。

探究活動3：

學(xué)生：根據(jù)實驗現(xiàn)象，討論、分析，得出結(jié)論——鐵絲含碳量越高，火星四射現(xiàn)象越明顯。

設(shè)計意圖：通過前述環(huán)節(jié)教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)建立鐵絲燃燒過程中火星四射現(xiàn)象的確和其中含碳元素相關(guān)，但具體關(guān)聯(lián)程度如何，卻是未知，為探究這一問題，在教師提供的必要實驗用品范圍內(nèi)，鼓勵學(xué)生自主或合作，設(shè)計出合理的探究方案，并進行探究實驗，最終得出正確的實驗結(jié)論。

教師：引導(dǎo)學(xué)生回顧本課所學(xué)知識，交流所得及仍然存在的困惑，對本課作必要的總結(jié)和反思，并給出課后所需完成的任務(wù)（如：鐵絲在氧氣中燃燒產(chǎn)物組成的探究）。

學(xué)生：交流本課學(xué)習(xí)的心得體會。

4 實驗教學(xué)說明

（1）本實驗教學(xué)設(shè)計所需的實驗用品如下：鎂條、薄片狀木炭（小煤塊）、石棉網(wǎng)細鐵絲、304L細鋼絲、304細鋼絲、302細鋼絲、還原鐵粉（AR）、坩堝鉗、石棉網(wǎng)、80%的氧氣1瓶，瓶底有水的氧氣6瓶、酒精燈、火柴、相關(guān)視頻課件資料等。

（2）本教學(xué)設(shè)計中所選用的細鐵（鋼）絲均為河北省唐山市光大銀河金屬材料有限公司提供的304L、304、302型材，含碳量分別約為0.03%、0.08%、0.15%，直徑均為0.2 mm及0.3 mm。如圖9（0.2 mm）、圖10（0.3 mm）。

（3）本實驗教學(xué)設(shè)計的優(yōu)點主要是：從學(xué)生角度出發(fā)，在學(xué)生已有認知基礎(chǔ)（一定濃度的氧氣支持燃燒、一定濃度的二氧化碳使燃著木條熄滅）上，采用逐級遞進的方式，設(shè)計問題鏈，并通過這些有效的問題的設(shè)計，抓住學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的興趣點和問題點，激發(fā)學(xué)生的探究熱情，使他們主動融入探究過程，體驗化學(xué)探究的樂趣。同時，面對普通的實驗現(xiàn)象，通過問題引導(dǎo)，引發(fā)學(xué)生質(zhì)疑，鼓勵學(xué)生猜想，討論設(shè)計合理的實驗方案，培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑能力，使他們留有質(zhì)樸的存疑探疑的原動力，對課堂進行必要且有益的拓展。

（4）不足及疑惑。不足表現(xiàn)為：①前期實驗準備工作量大，如果學(xué)生全員參與，實驗進度的掌控及實驗效果可能都較難達到預(yù)期。②部分實驗的成功存在偶然性，如薄片狀木炭（小煤塊）在氧氣中燃燒時火星四射的現(xiàn)象不易得到，需要控制木炭的材質(zhì)、厚度及大小，否則很難崩裂產(chǎn)生火星。③盡管實驗中所用鐵絲直徑相同，但因為每次燃燒時，鐵絲伸入集氣瓶的時機及深度不同，降低了對實驗結(jié)論的支撐力，實驗結(jié)論的獲得仍存在經(jīng)驗性判斷傾向的因素。疑惑有二：首先將還原鐵粉在酒精燈火焰上方抖落，出現(xiàn)火星四射的現(xiàn)象，是還原鐵粉中的微量的碳（<0.02%）[2]所致，還是因為還原鐵粉粒徑太小，鐵粉接觸到酒精燈火焰瞬間熔融燃燒，并隨熱氣上升四濺所致，具體何因，有待解釋。其次實驗中使用的304L、304、302型材細鋼絲，雖然在含碳量上有明顯的不同，但其中所含其他化學(xué)元素及含量是不相同的，這是否對會鐵絲燃燒產(chǎn)生的現(xiàn)象造成影響，仍是未知。

5 教學(xué)建議

在做不同含碳量鐵絲在氧氣中燃燒實驗時，為縮短氧氣的制備時間，為學(xué)生分組實驗提供便利，可采用如下方法：在集氣瓶中加入一定量市售30%的H2O2溶液，再加入少許MnO2粉末，驗滿后再進行鐵絲燃燒的實驗。采用這種實驗組合，由于氧氣量充足，實驗可連續(xù)、重復(fù)進行。

本實驗教學(xué)設(shè)計的撰寫和實施得到了揚州市教科所趙華老師、揚州中學(xué)王金龍老師、江都區(qū)邵伯鎮(zhèn)中學(xué)陳建安老師的悉心指導(dǎo)和幫助，同時江都區(qū)邵伯鎮(zhèn)中學(xué)毛金津老師為本設(shè)計提供了實驗和視頻錄制的支持，在此一并感謝！

參考文獻：

[1]喬金鎖，劉冷.鐵絲在氧氣中燃燒的研究[J].化學(xué)教育，2010，（10）：76～79.

[2]王崇琳，張春光等.鐵精礦還原鐵粉的質(zhì)量穩(wěn)定性[J].粉末冶金工業(yè)，2012，（6）：7～15.

教師：引導(dǎo)學(xué)生回顧本課所學(xué)知識，交流所得及仍然存在的困惑，對本課作必要的總結(jié)和反思，并給出課后所需完成的任務(wù)（如：鐵絲在氧氣中燃燒產(chǎn)物組成的探究）。

學(xué)生：交流本課學(xué)習(xí)的心得體會。

4 實驗教學(xué)說明

（1）本實驗教學(xué)設(shè)計所需的實驗用品如下：鎂條、薄片狀木炭（小煤塊）、石棉網(wǎng)細鐵絲、304L細鋼絲、304細鋼絲、302細鋼絲、還原鐵粉（AR）、坩堝鉗、石棉網(wǎng)、80%的氧氣1瓶，瓶底有水的氧氣6瓶、酒精燈、火柴、相關(guān)視頻課件資料等。

（2）本教學(xué)設(shè)計中所選用的細鐵（鋼）絲均為河北省唐山市光大銀河金屬材料有限公司提供的304L、304、302型材，含碳量分別約為0.03%、0.08%、0.15%，直徑均為0.2 mm及0.3 mm。如圖9（0.2 mm）、圖10（0.3 mm）。

（3）本實驗教學(xué)設(shè)計的優(yōu)點主要是：從學(xué)生角度出發(fā)，在學(xué)生已有認知基礎(chǔ)（一定濃度的氧氣支持燃燒、一定濃度的二氧化碳使燃著木條熄滅）上，采用逐級遞進的方式，設(shè)計問題鏈，并通過這些有效的問題的設(shè)計，抓住學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的興趣點和問題點，激發(fā)學(xué)生的探究熱情，使他們主動融入探究過程，體驗化學(xué)探究的樂趣。同時，面對普通的實驗現(xiàn)象，通過問題引導(dǎo)，引發(fā)學(xué)生質(zhì)疑，鼓勵學(xué)生猜想，討論設(shè)計合理的實驗方案，培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑能力，使他們留有質(zhì)樸的存疑探疑的原動力，對課堂進行必要且有益的拓展。

（4）不足及疑惑。不足表現(xiàn)為：①前期實驗準備工作量大，如果學(xué)生全員參與，實驗進度的掌控及實驗效果可能都較難達到預(yù)期。②部分實驗的成功存在偶然性，如薄片狀木炭（小煤塊）在氧氣中燃燒時火星四射的現(xiàn)象不易得到，需要控制木炭的材質(zhì)、厚度及大小，否則很難崩裂產(chǎn)生火星。③盡管實驗中所用鐵絲直徑相同，但因為每次燃燒時，鐵絲伸入集氣瓶的時機及深度不同，降低了對實驗結(jié)論的支撐力，實驗結(jié)論的獲得仍存在經(jīng)驗性判斷傾向的因素。疑惑有二：首先將還原鐵粉在酒精燈火焰上方抖落，出現(xiàn)火星四射的現(xiàn)象，是還原鐵粉中的微量的碳（<0.02%）[2]所致，還是因為還原鐵粉粒徑太小，鐵粉接觸到酒精燈火焰瞬間熔融燃燒，并隨熱氣上升四濺所致，具體何因，有待解釋。其次實驗中使用的304L、304、302型材細鋼絲，雖然在含碳量上有明顯的不同，但其中所含其他化學(xué)元素及含量是不相同的，這是否對會鐵絲燃燒產(chǎn)生的現(xiàn)象造成影響，仍是未知。

5 教學(xué)建議

在做不同含碳量鐵絲在氧氣中燃燒實驗時，為縮短氧氣的制備時間，為學(xué)生分組實驗提供便利，可采用如下方法：在集氣瓶中加入一定量市售30%的H2O2溶液，再加入少許MnO2粉末，驗滿后再進行鐵絲燃燒的實驗。采用這種實驗組合，由于氧氣量充足，實驗可連續(xù)、重復(fù)進行。

本實驗教學(xué)設(shè)計的撰寫和實施得到了揚州市教科所趙華老師、揚州中學(xué)王金龍老師、江都區(qū)邵伯鎮(zhèn)中學(xué)陳建安老師的悉心指導(dǎo)和幫助，同時江都區(qū)邵伯鎮(zhèn)中學(xué)毛金津老師為本設(shè)計提供了實驗和視頻錄制的支持，在此一并感謝！

參考文獻：

[1]喬金鎖，劉冷.鐵絲在氧氣中燃燒的研究[J].化學(xué)教育，2010，（10）：76～79.

[2]王崇琳，張春光等.鐵精礦還原鐵粉的質(zhì)量穩(wěn)定性[J].粉末冶金工業(yè)，2012，（6）：7～15.

教師：引導(dǎo)學(xué)生回顧本課所學(xué)知識，交流所得及仍然存在的困惑，對本課作必要的總結(jié)和反思，并給出課后所需完成的任務(wù)（如：鐵絲在氧氣中燃燒產(chǎn)物組成的探究）。

學(xué)生：交流本課學(xué)習(xí)的心得體會。

4 實驗教學(xué)說明

（1）本實驗教學(xué)設(shè)計所需的實驗用品如下：鎂條、薄片狀木炭（小煤塊）、石棉網(wǎng)細鐵絲、304L細鋼絲、304細鋼絲、302細鋼絲、還原鐵粉（AR）、坩堝鉗、石棉網(wǎng)、80%的氧氣1瓶，瓶底有水的氧氣6瓶、酒精燈、火柴、相關(guān)視頻課件資料等。

（2）本教學(xué)設(shè)計中所選用的細鐵（鋼）絲均為河北省唐山市光大銀河金屬材料有限公司提供的304L、304、302型材，含碳量分別約為0.03%、0.08%、0.15%，直徑均為0.2 mm及0.3 mm。如圖9（0.2 mm）、圖10（0.3 mm）。

（3）本實驗教學(xué)設(shè)計的優(yōu)點主要是：從學(xué)生角度出發(fā)，在學(xué)生已有認知基礎(chǔ)（一定濃度的氧氣支持燃燒、一定濃度的二氧化碳使燃著木條熄滅）上，采用逐級遞進的方式，設(shè)計問題鏈，并通過這些有效的問題的設(shè)計，抓住學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的興趣點和問題點，激發(fā)學(xué)生的探究熱情，使他們主動融入探究過程，體驗化學(xué)探究的樂趣。同時，面對普通的實驗現(xiàn)象，通過問題引導(dǎo)，引發(fā)學(xué)生質(zhì)疑，鼓勵學(xué)生猜想，討論設(shè)計合理的實驗方案，培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑能力，使他們留有質(zhì)樸的存疑探疑的原動力，對課堂進行必要且有益的拓展。

（4）不足及疑惑。不足表現(xiàn)為：①前期實驗準備工作量大，如果學(xué)生全員參與，實驗進度的掌控及實驗效果可能都較難達到預(yù)期。②部分實驗的成功存在偶然性，如薄片狀木炭（小煤塊）在氧氣中燃燒時火星四射的現(xiàn)象不易得到，需要控制木炭的材質(zhì)、厚度及大小，否則很難崩裂產(chǎn)生火星。③盡管實驗中所用鐵絲直徑相同，但因為每次燃燒時，鐵絲伸入集氣瓶的時機及深度不同，降低了對實驗結(jié)論的支撐力，實驗結(jié)論的獲得仍存在經(jīng)驗性判斷傾向的因素。疑惑有二：首先將還原鐵粉在酒精燈火焰上方抖落，出現(xiàn)火星四射的現(xiàn)象，是還原鐵粉中的微量的碳（<0.02%）[2]所致，還是因為還原鐵粉粒徑太小，鐵粉接觸到酒精燈火焰瞬間熔融燃燒，并隨熱氣上升四濺所致，具體何因，有待解釋。其次實驗中使用的304L、304、302型材細鋼絲，雖然在含碳量上有明顯的不同，但其中所含其他化學(xué)元素及含量是不相同的，這是否對會鐵絲燃燒產(chǎn)生的現(xiàn)象造成影響，仍是未知。

5 教學(xué)建議

在做不同含碳量鐵絲在氧氣中燃燒實驗時，為縮短氧氣的制備時間，為學(xué)生分組實驗提供便利，可采用如下方法：在集氣瓶中加入一定量市售30%的H2O2溶液，再加入少許MnO2粉末，驗滿后再進行鐵絲燃燒的實驗。采用這種實驗組合，由于氧氣量充足，實驗可連續(xù)、重復(fù)進行。

本實驗教學(xué)設(shè)計的撰寫和實施得到了揚州市教科所趙華老師、揚州中學(xué)王金龍老師、江都區(qū)邵伯鎮(zhèn)中學(xué)陳建安老師的悉心指導(dǎo)和幫助，同時江都區(qū)邵伯鎮(zhèn)中學(xué)毛金津老師為本設(shè)計提供了實驗和視頻錄制的支持，在此一并感謝！

參考文獻：

[1]喬金鎖，劉冷.鐵絲在氧氣中燃燒的研究[J].化學(xué)教育，2010，（10）：76～79.

[2]王崇琳，張春光等.鐵精礦還原鐵粉的質(zhì)量穩(wěn)定性[J].粉末冶金工業(yè)，2012，（6）：7～15.