探究氯化鐵溶液灼燒的變化

摘要： 將浸泡過氯化鐵溶液的粉筆于酒精燈上灼燒，觀察實驗現(xiàn)象并解釋其原因，意外發(fā)現(xiàn)有黑色固體析出。引導學生通過實驗探究證實對黑色物質形成的反應機理的猜想。學生在真實的問題情景中經歷實驗探究全過程，提高了發(fā)現(xiàn)問題的意識和探究能力。

關鍵詞： 水解；實驗探究；氯化鐵； 教學設計

文章編號： 10056629（2018）2005004中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

化學是一門與實驗相關的自然科學，實驗探究是化學學科核心素養(yǎng)的內在要素，也是綜合培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)的一種有效方法[1]。教學中利用實驗出現(xiàn)的意外現(xiàn)象，引導學生發(fā)現(xiàn)問題，確定探究課題，設計并優(yōu)化實驗方案，動手進行實驗，觀察記錄分析實驗現(xiàn)象，評價與反思并最終獲得正確結論。學生親歷實驗探究的過程，在探究的過程中引發(fā)學生的認知沖突和深度思考，激勵學生發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的化學問題，并應用化學知識解決問題，培養(yǎng)學生的問題意識，提高學生分析解決問題的能力。

1教學目標

（1） 通過實驗，理解將揮發(fā)性酸對應的弱堿鹽溶液蒸干、灼燒的生成物，且能夠依據離子平衡原理加以解釋。

（2） 對比評價FeCl3溶液蒸干、灼燒實驗的兩套方案，掌握實驗方案評價的策略。

（3） 在解決問題過程中思考Fe2+和Fe3+檢驗、鐵的氧化物性質知識的應用。

（4） 借助改進實驗意外現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、猜想、設計方案、驗證、評價反思的過程建構科學探究的思路和方法。

2教學過程流程

教學過程流程簡圖見圖1。

3教學過程

FeCl3、 AlCl3等鹽溶液蒸干會促進水解，生成氫氧化物，灼燒得氧化物。教學中為了便于學生理解，對上述實驗進行取證。

[教師演示]用傳統(tǒng)方式演示FeCl3水解相關實驗： 將大約20mL飽和FeCl3溶液先在蒸發(fā)皿中蒸發(fā)，再在坩堝中灼燒，觀察實驗現(xiàn)象。加熱溶液，溶液顏色由黃色變?yōu)榧t褐色，溶液蒸發(fā)后轉入坩堝中灼燒，固體顏色由紅褐色變?yōu)殍F銹色。

[教師講解]針對實驗耗時長、藥品用量大、污染環(huán)境的問題，介紹對上述實驗的改進方法。

[學生實驗]將一只粉筆浸泡在FeCl3溶液中（濃稀均可），用坩堝鉗夾持粉筆于酒精燈上灼燒（圖2）[2]，隨著加熱時間的持續(xù)，可在1min內觀察到粉筆表面顏色的變化： 黃色→紅褐色→鐵銹色→黑色。

[學生討論]實驗現(xiàn)象中前三種顏色出現(xiàn)的原因： FeCl3溶液水解生成Fe（OH）3， Fe（OH）3受熱分解為Fe2O3。

[教師提問]與傳統(tǒng)實驗相比較，改進后實驗的優(yōu)點是什么？

[學生討論]操作簡單、耗時短、藥品用量少、節(jié)約、環(huán)保。

設計意圖： 學生親歷對實驗方案的評價過程，在實踐中學習化學實驗評價的要點即科學、簡約、安全、經濟、環(huán)保。

[學生提問]為什么粉筆表面顏色最終變?yōu)楹谏?？黑色物質是怎么生成的，成分是什么？

[教師指導]依據反應物、反應條件合理猜想可能發(fā)生的反應，對黑色物質是怎么生成的進行猜想。

[學生討論]提出猜想： ①酒精不完全燃燒的碳；②酒精與粉筆灼燒的產物；③酒精還原Fe2O3得到的物質。

[教師提問]如何設計實驗證實是猜想①、②？

[學生討論]實驗方案。

[學生實驗]把潔凈的粉筆置于酒精燈上灼燒，不會呈現(xiàn)黑色。實驗直接排除了猜想①和②。

[教師提問]如何設計實驗證實是猜想③酒精還原了Fe2O3可得到黑色物質？

[學生討論]實驗方案。

[教師演示]酒精還原Fe2O3的實驗[3]： 如圖3，在密閉裝置中，將酒精浸泡過的粉筆和Fe2O3同時放在硬質玻璃管中。先在粉筆處加熱，用酒精蒸汽排盡裝置中的空氣后，再在Fe2O3處加熱，約5min左右可以在硬質玻璃管中觀察到紅色Fe2O3變成黑色。取下裝置中新制的Cu（OH）2加熱，觀察到新制的Cu（OH）2由藍色沉淀變成磚紅色沉淀。

[學生討論]酒精被氧化為乙醛并有黑色物質生成，猜想③正確。

[學生提問]黑色物質是什么？

[教師指導]類比酒精還原CuO實驗，圍繞反應物（乙醇、Fe2O3），根據氧化還原反應原理，進行推理判斷。

[學生討論]提出猜想： 黑色物質可能是單質Fe、 FeO或Fe3O4。

[教師提問]如何設計實驗，探究黑色物質是三種中的哪一種？（限選實驗儀器與試劑： 燒杯、試管、玻璃棒、藥匙、滴管、酒精燈、試管夾、吸鐵石、黑色粉末樣品、3mol·L-1 H2SO4溶液、 6mol·L-1 HNO3溶液、 3mol·L-1 HCl溶液、 0.01mol·L-1 KMnO4溶液、 20% KSCN溶液、蒸餾水）

[學生討論]實驗方案。

[學生實驗]實驗①： 取黑色粉末少量，粉末完全被磁鐵吸引；實驗②： 在盛有黑色粉末的試管中加入稀H2SO4后，固體部分溶解但無氣泡產生；實驗③： 取上述實驗②清液加入KMnO4溶液中，觀察到紫色褪去，另取實驗②清液加入KSCN溶液出現(xiàn)血紅色。

[學生討論]實驗①證明黑色物質不是FeO，實驗②證明黑色物質不是單質Fe，實驗③證明既有Fe2+又有Fe3+，由此得出結論，黑色物質是Fe3O4。

[學生提問]是否因反應時間太短，導致了酒精只能將Fe2O3還原成Fe3O4？

[教師演示]如圖3，在密閉裝置中，用酒精浸泡過的粉筆和Fe2O3同時放在硬質玻璃管中加熱，觀察到將紅色Fe2O3變成黑色后再持續(xù)加熱5分鐘使其充分反應。取黑色粉末少量，粉末完全被磁鐵吸引。在盛有黑色粉末的試管中加入稀H2SO4后固體部分溶解但無氣泡產生，取上述清液加入KMnO4溶液中，觀察到紫色褪去，另取上述清液加入KSCN溶液出現(xiàn)血紅色。

[學生討論]得出結論： 酒精將Fe2O3還原為Fe3O4，與反應時間無關。

至此學生完成了探究歷程（圖4）：

[教師出示]信息資料： 鐵的氧化物有FeO、 Fe2O3和Fe3O4等。FeO是鐵的氧化物之一，其外觀呈黑色粉末，由氧化態(tài)為+2價的鐵與氧共價結合。FeO屬于非整比化合物，其中鐵和氧元素的比例會發(fā)生變化，范圍從Fe0.84O到Fe0.95O。FeO是一種黑色粉末，不穩(wěn)定，在空氣中加熱，可被氧化成Fe3O4，隔絕空氣加熱會歧化為Fe和Fe3O4。

[教師提問]根據信息酒精還原Fe2O3得到的產物Fe3O4會不會是由于FeO的不穩(wěn)定性而生成的？

[學生討論]酒精還原Fe2O3時先用酒精蒸汽排盡了空氣，是無氧氣環(huán)境加熱，故不會是由于FeO在空氣里加熱而被氧化成Fe3O4，又因為在盛有黑色粉末的試管中加入稀H2SO4后固體部分溶解但無氣泡產生，證明無單質Fe，故不會是由于隔絕空氣加熱歧化為Fe和Fe3O4，由此得出結論酒精將Fe2O3還原產物只能是Fe3O4。

[教師講解]教師介紹X射線衍射譜圖（XRay diffraction， XRD），并給出由河北大學化學實驗室對黑色產物測樣得出的產物表征圖及結果（圖5），圖5顯示了Fe3O4（曲線a）、Fe2O3（曲線c）及單質Fe（曲線d）的XRD譜圖。從Fe3O4的XRD譜圖上可以看出35.3°、 43.0°、 56.9°和62.5°分別對應于Fe3O4的（311）、 （400）、 （511）和（440）晶面（JCPDS NO. 190629）。Fe2O3 XRD曲線上的33.1°、 35.7°、 54.2°、 62.6°和64.5°分別對應于Fe2O3的（104）、 （110）、 （116）、 （214）

圖5Fe3O4（曲線a）、酒精還原Fe2O3的產物（曲線b）、Fe2O3（曲線c）及單質Fe（曲線d）的X射線衍射譜圖（XRay diffraction， XRD）

和（300）晶面（JCPDS NO. 898103）。曲線d上44.9°的XRD衍射峰對應于單質Fe的（110）晶面（JCPDS NO. 870721）。由圖可知，酒精還原Fe2O3所得到的產物（曲線b），其XRD譜圖與Fe3O4一致，而與Fe2O3和單質Fe的XRD譜圖明顯不同，進一步證明了通過酒精還原Fe2O3得到的產物是Fe3O4。

設計意圖： 學生初步了解目前化學研究中常用的儀器分析，開闊了眼界。先進科研手段對學生探究結論的進一步證實，使得學生的成就感倍增。教學過程中引導學生嘗試科學研究，將科研的種子植于學生心中，培養(yǎng)學生學科學、愛科學、不斷創(chuàng)新、勇于質疑、堅持不懈的品質。

4教學反思

FeCl3、AlCl3等鹽溶液在蒸干時，會完全水解，生成的氫氧化物在灼燒后轉化為氧化物。對FeCl3溶液灼燒實驗進行改進發(fā)現(xiàn)得到黑色粉末的意外現(xiàn)象。由此，設計了本節(jié)的實驗探究課，希望讓學生通過實驗探究，認識所發(fā)生變化的本質，提高問題意識、探究意識和探究能力。事實證明，化學實驗的意外現(xiàn)象，能使學生學習興趣高漲、引發(fā)探究欲望，活躍思維。課堂上，教師要抓住契機，充分利用意外現(xiàn)象生成的教學資源，不搪塞敷衍，不主觀臆斷，啟發(fā)學生進行探究。

本節(jié)的教學設計也說明，在教學實踐中，教師要注意將課本中現(xiàn)象不明顯、成功率較低、污染大、耗時長的實驗加以改進，提高實驗的效果。教師示范演示實驗創(chuàng)新，對于培養(yǎng)學生問題意識、批判精神，提高學生的創(chuàng)新意識也是一個很好的示范。本節(jié)教學采用問題驅動式的教學方法，學生按以下程序開展學習活動： 提出問題—確定任務—實驗探究—解決問題。課堂上80%以上的時間是學生講實驗、做實驗、交流討論，教師只起引導的作用，把課堂真正地還給學生。在討論評價環(huán)節(jié)，全體學生參加了每個問題的討論，學生在遇到實際問題時，通過討論、探究去尋找答案，充分體現(xiàn)學生的學習主體地位，學會交流討論，增強團隊精神。

參考文獻：

[1]徐濱.化學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)策略[J].中學化學教與學， 2017，（4）： 17.

[2]薛桂鳳.創(chuàng)新氯化鐵水解實驗及由該實驗引發(fā)的實驗探究[J].中學化學教學參考， 2012，（5）： 53.

[3]薛桂鳳.3個高中化學演示實驗的改進[J].實驗教學與儀器， 2010，（7/8）： 61.