對(duì)鐵絲在空氣中加熱反應(yīng)產(chǎn)物的研究

李俊生

在用砂紙打磨過(guò)的20 cm長(zhǎng)的2號(hào)掛窗簾鐵絲代替鉑絲做焰色反應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，鐵絲表面變成黑灰色，很多學(xué)生認(rèn)為是發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并認(rèn)為反應(yīng)的產(chǎn)物是F^e₃O₄（因?yàn)槌踔谢瘜W(xué)做過(guò)鐵絲和純氧反應(yīng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)）。這種結(jié)論也得到部分教師的認(rèn)可。那么，事實(shí)真的是這樣嗎？理論和實(shí)驗(yàn)研究表明兩者的生成物是有差異的，具體分析如下。

1實(shí)驗(yàn)研究

取一用砂紙打磨過(guò)的20 cm長(zhǎng)鐵絲（掛窗簾用），再用蒸餾水沖洗，快速干燥后表面呈現(xiàn)銀灰色，把干燥后的鐵絲一部分置于酒精燈外焰上加熱，這時(shí)可觀察到鐵絲接觸到火焰的部分顏色變深，逐漸變?yōu)榛液谏?。繼續(xù)加熱鐵絲呈紅熱狀態(tài)，而灰黑色部分向鐵絲遠(yuǎn)離火焰的方向移動(dòng)，停止加熱且待鐵絲自然冷卻，與未經(jīng)灼燒的鐵絲對(duì)比，處于火焰位置的鐵絲灰黑色加深，而未被火焰加熱到且鄰近火焰加熱部分的鐵絲則變?yōu)樗{(lán)黑色且有光澤，具體情況如圖1所示。

2理論分析

由于鐵在加熱的情況下與空氣中的氧氣反應(yīng)非常復(fù)雜，形成的氧化膜非常薄，限于實(shí)驗(yàn)條件只能進(jìn)行相關(guān)的理論分析，進(jìn)而得出結(jié)論。

2.1在不同的溫度下，鐵與氧氣反應(yīng)產(chǎn)物的分析

研究表明鐵和氧氣發(fā)生的氧化反應(yīng)是非常復(fù)雜的，其影響因素很多，目前尚未建立完善的機(jī)理分析，一般認(rèn)為鐵和氧氣的氧化反應(yīng)比較復(fù)雜，最終的氧化產(chǎn)物既與溫度有關(guān)也與反應(yīng)產(chǎn)物的冷卻速度有關(guān)。當(dāng)溫度低于570 ℃時(shí)只生成F^e₃O₄和F^e₂O₃；當(dāng)溫度高于570 ℃時(shí)才生成F^eO層和F^e₃O₄層（中間層）以及F^e₂O₃層（最外層），三者的厚度比為100∶10∶1或95∶4∶1。理論研究表明，純鐵在空氣中或純氧中緩慢加熱，經(jīng)歷下列幾個(gè)氧化階段。

2.1.1氧氣在金屬表面吸附并得電子形成氧化膜

當(dāng)溫度加熱到200 ℃以前，研究認(rèn)為金屬鐵表面層帶有負(fù)電荷，這些電子可以轉(zhuǎn)移到吸附在金屬鐵表面的O₂上。此時(shí)金屬本身轉(zhuǎn)化為F^e3+，而O₂轉(zhuǎn)化為O-2，而后O-2之間借助斥力而分開(kāi)并重新分布，分布的結(jié)果是O-2被F^e3+離子包圍形成F^e₂O₃薄膜，隨著溫度進(jìn)一步升高，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)6F^e₂

O₃=4F^e₃O₄+O₂，此時(shí)形成雙層氧化膜F^e₃O₄～γF^e₂O₃。

當(dāng)溫度加熱到200～400 ℃時(shí)，發(fā)生相變?chǔ)肍^e₂O₃→αF^e₂O₃，形成F^e₃O₄～αF^e₂O₃兩層結(jié)構(gòu)，并且當(dāng)溫度加熱到400～575 ℃時(shí)，在αF^e₂O₃層之下，F(xiàn)^e₃O₄層長(zhǎng)大為較厚膜層。

當(dāng)溫度高于575 ℃時(shí)，在F^e₃O₄層之下開(kāi)始生成F^eO，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)2F^e₃O₄=6F^eO+O₂或F^e₃O₄+F^e=4F^eO，氧化膜從里到外由F^eO—F^e₃O₄—F^e₂O₃ 3層組成。

2.1.2鐵的氧化物膜層的增長(zhǎng)

伴隨著鐵的不同形式的氧化物的出現(xiàn)，隨之而來(lái)的就是不同形式的氧化物膜層的增長(zhǎng)。研究認(rèn)為，F(xiàn)^eO、F^e₃O₄都為P型半導(dǎo)體，而F^e₂O₃都為N型半導(dǎo)體，當(dāng)鐵絲加熱到570 ℃以上時(shí)在F^e/F^eO界面上，鐵失電子，F(xiàn)^e=F^e2++2e-，F(xiàn)^e2+和e-分別經(jīng)過(guò)鐵離子空穴向外擴(kuò)散；達(dá)到F^eO/F^e₃O₄界面時(shí)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)F^e2++2e-+F^e₃O₄=4F^eO，并不斷地提供F^e2+、F^e3+。經(jīng)過(guò)F^e₃O₄四面體或八面體空位擴(kuò)散，電子經(jīng)空穴遷移，在F^e₃O₄/F^e₂O₃界面形成F^e₃O₄，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為F^en++ne-+4F^e₂O₃=3F^e₃O₄，其中n值為2或3；如果F^e3+或e-經(jīng)過(guò)空穴向外擴(kuò)散，這時(shí)會(huì)在F^e₂O₃/O₂界面發(fā)生4F^e3++12e-+O₂=2F^e₂O₃，在此界面上同時(shí)發(fā)生O₂+4e-=2O-2。此時(shí)O-2離子在F^e₂O₃層內(nèi)向內(nèi)擴(kuò)散，在F^e₃O₄/F^e₂O₃界面上發(fā)生反應(yīng)2F^e3++3-O₂=F^e₂O₃，這時(shí)向外遷移的e-使O₂離子化。在這個(gè)過(guò)程中，3層氧化膜都得到了增加，當(dāng)然鐵絲里面存在一定量的碳，這些碳會(huì)影響氧化膜和鐵的粘附性，具體情況如圖2所示。

3層氧化膜以及增長(zhǎng)機(jī)制

2.2在一定溫度下鐵和氧氣反應(yīng)的產(chǎn)物隨溫度降低的快慢，產(chǎn)物形式變化情況的分析

反應(yīng)后的冷卻溫度的快慢也影響著生成物的微觀組成，X-射線衍射分析表明冷卻溫度對(duì)產(chǎn)物組成的影響有如下規(guī)律。

（1）快冷條件下產(chǎn)物中，F(xiàn)^eO（82.6%），F(xiàn)^e₃O₄（17.4%），快冷時(shí)產(chǎn)物與鐵基體附著力較強(qiáng)，F(xiàn)^e₃O₄層厚度均勻。

（2）慢冷條件下產(chǎn)物中F^eO（63.4%），F(xiàn)^e₃O₄（29.8%），F(xiàn)^e₂O₃（6.8%）；這時(shí)產(chǎn)物與鐵基體附著力較弱，F(xiàn)^e₃O₄層厚度不均勻，分布不規(guī)則，且慢冷時(shí)F^eO層內(nèi)有零散分布的F^e₃O₄析出。

3鐵絲在空氣中加熱實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析以及反應(yīng)產(chǎn)物的確認(rèn)

通過(guò)1實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)鐵絲加熱出現(xiàn)的現(xiàn)象較豐富，但是為了分析可以把復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加以歸類研究，具體情況如下。

（1）加熱時(shí)鐵絲逐漸變?yōu)榛液谏?/p>

（2）繼續(xù)加熱，灰黑色向溫度低的方向移動(dòng)。

（3）自然冷卻后處于火焰部分灰色加深，緊鄰火焰且未被灼燒的部分出現(xiàn)藍(lán)黑色有光澤。

研究表明，酒精燈火焰的溫度為：焰心的平均溫度598 ℃，內(nèi)焰的平均溫度783 ℃，外焰的平均溫度667 ℃，鐵的熔點(diǎn)為1 534 ℃。結(jié)合上面的有關(guān)數(shù)據(jù)以及鐵的熔點(diǎn)溫度，認(rèn)為在空氣中用酒精燈外焰加熱用砂紙打磨過(guò)的鐵絲后，應(yīng)該形成以加熱點(diǎn)為中心向外溫度逐漸降低的溫度場(chǎng)。由于當(dāng)溫度高于575 ℃時(shí)，氧化膜從里到外由F^eO—F^e₃O₄—F^e₂O₃ 3層組成，且三者的厚度比為100∶10∶1或95∶4∶1，所以會(huì)出現(xiàn)加熱時(shí)鐵絲逐漸變?yōu)榛液谏?，繼續(xù)加熱，灰黑色向溫度低的方向移動(dòng)。由于存在以加熱點(diǎn)為中心向外溫度逐漸降低的溫度場(chǎng)，因此這種灰黑色向溫度低的方向移動(dòng)的過(guò)程是一個(gè)氧化膜逐漸變薄的過(guò)程。研究表明，當(dāng)這種氧化膜的厚度超過(guò)2.5 μm時(shí)，顏色表現(xiàn)為灰黑色，而當(dāng)氧化膜的厚度在0.6～1 μm時(shí)，顏色表現(xiàn)為藍(lán)黑色有光澤，所以才會(huì)出現(xiàn)灰黑色到藍(lán)黑色的變化。另一方面加熱完畢后冷卻是在室溫下進(jìn)行，這種冷卻應(yīng)該是一種緩慢的冷卻，冷卻對(duì)氧化產(chǎn)物的影響自然是存在的，前面的理論分析認(rèn)為緩慢冷卻后的產(chǎn)物組成是F^eO（63.4%）-F^e₃O₄（29.8%）-F^e₂O₃（6.8%），整個(gè)的加熱或冷卻過(guò)程中F^eO或F^e₃O₄是主要的氧化產(chǎn)物，F(xiàn)^e₂O₃的量很少，因此F^e₂O₃對(duì)鐵絲加熱或冷卻的顏色變化影響并不顯著，這可以從實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鐵絲的顏色變化情況得到證明。

4教學(xué)建議

日常生活或?qū)W習(xí)中我們經(jīng)常遇到鐵絲在空氣中加熱出現(xiàn)的類似實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也會(huì)有學(xué)生問(wèn)起類似實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的現(xiàn)象如何解釋以及現(xiàn)象產(chǎn)生的原理問(wèn)題，比如：焰色反應(yīng)中鋼絲代替鉑絲（這時(shí)類似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯）、不銹鋼餐具碰到高溫?zé)嵩础徠虻镀艿礁邷氐葐?wèn)題都與鐵絲在空氣中加熱出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有關(guān)聯(lián)。因此，教學(xué)中對(duì)這類問(wèn)題應(yīng)該有一個(gè)比較符合學(xué)生認(rèn)知的解決問(wèn)題策略，問(wèn)題解決最好不要涉及過(guò)多的理論解釋，避免使問(wèn)題的復(fù)雜化而引起學(xué)生理解困難。對(duì)此建議如下。

鐵絲在空氣中加熱主要是生成了內(nèi)層為F^eO、外層為F^e₃O₄的氧化物薄膜，化學(xué)反應(yīng)方程式可認(rèn)為是：3F^e+2O₂ΔF^e₃O₄、

F^e₃O₄+F^eΔ4F^eO。

當(dāng)生成的這種薄膜比較厚時(shí)，表現(xiàn)為灰黑色；生成的這種薄膜較薄時(shí)，表現(xiàn)為藍(lán)黑色有光澤。

上述教學(xué)建議可以較好地解決鐵絲在空氣中加熱過(guò)程中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及類似實(shí)驗(yàn)問(wèn)題。按照上述兩點(diǎn)教學(xué)，不會(huì)使學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解造成困難，同時(shí)也較好地解決了學(xué)生在現(xiàn)有知識(shí)背景下理解鐵絲代替鉑絲做焰色反應(yīng)時(shí)鐵絲表面顏色變化的問(wèn)題，對(duì)全面認(rèn)識(shí)焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生觀察問(wèn)題的能力以及解決問(wèn)題的能力等具有重要意義。