以超細(xì)鋼絲棉替代鐵改進(jìn)兩個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)

周良　魏?！⊥鯐?huì)　李德前

摘要： 利用比表面積特別大的超細(xì)鋼絲棉設(shè)計(jì)“鐵燃燒”、“鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，使鐵在常態(tài)空氣中就能劇烈燃燒、鐵與硫酸銅溶液在短時(shí)間內(nèi)反應(yīng)就能得到淺綠色溶液。改進(jìn)后的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，不僅操作簡便，而且現(xiàn)象明顯、趣味性強(qiáng)，提高了實(shí)驗(yàn)的觀賞性和教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 超細(xì)鋼絲棉； 鐵燃燒實(shí)驗(yàn)； 鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號： 1005-6629（2018）6-0076-04 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

鋼絲棉本來是用于家具打磨、拋光的一種超細(xì)鐵絲，由于其極細(xì)的外形、超大的比表面積，因此用它來代替常見的鐵絲進(jìn)行某些化學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以產(chǎn)生意想不到的實(shí)驗(yàn)效果。

在前不久舉行的江蘇省初中化學(xué)評優(yōu)課上，周良老師在“金屬的性質(zhì)與利用”現(xiàn)場課中，利用超細(xì)鋼絲棉做了“鐵的燃燒”“鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，贏得同行們的廣泛贊譽(yù)，并獲得顯著的教學(xué)效果。

1 鐵的燃燒實(shí)驗(yàn)

一直以來，各版本的九年級化學(xué)教科書上有關(guān)鐵的燃燒實(shí)驗(yàn)，均是在充滿氧氣的集氣瓶里進(jìn)行的（見圖1）。一般使用自行車閘線或從鐵絲網(wǎng)上抽取細(xì)鐵絲，再將細(xì)鐵絲繞成螺旋狀，然后在細(xì)鐵絲末端系一根火柴；在火柴快要燒到鐵絲時(shí)，迅速將細(xì)鐵絲伸入氧氣瓶中。

按照上述設(shè)計(jì)，如果一切順利，鐵絲在氧氣瓶里能夠劇烈燃燒，但其燃燒的時(shí)間很短，畢竟氧氣的量很有限。另外，集氣瓶在實(shí)驗(yàn)過程中常會(huì)發(fā)生炸裂。不僅如此，鐵絲沒能正常燃燒起來，也是教師在課堂上經(jīng)常遇到的事情。我們發(fā)現(xiàn)，如果使用超細(xì)的鋼絲棉代替常規(guī)的細(xì)鐵絲，那么鐵在常態(tài)空氣中也能燃燒起來，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象妙不可言。

1.1 實(shí)驗(yàn)用品

0000號的超細(xì)鋼絲棉、水；中號的金屬文具夾、結(jié)實(shí)的細(xì)繩、打火機(jī)、燒杯、濕抹布、剪刀等

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作

（1） 找一個(gè)中號的金屬文具夾，再找一根長約30cm的細(xì)繩（確保結(jié)實(shí)且沒有彈性），將細(xì)繩的一端緊緊地系在金屬文具夾尾部的孔中。

（2） 取一卷寬約6～7cm的超細(xì)鋼絲棉，剪取長約25cm的一段，然后向上對折，再將金屬文具夾夾在鋼絲棉的邊口重疊處（要確保夾入金屬夾內(nèi)的鋼絲棉長約0.7cm左右，見圖2）。

（3） 一只手拿著細(xì)繩的末端（拎著鋼絲棉），另一只手拿著打火機(jī)，在鋼絲棉下端的邊角處將其引燃（只要點(diǎn)燃外層的鋼絲棉，它就能持續(xù)燃燒）。此時(shí)鋼絲棉在空氣中較快地燃燒并產(chǎn)生火星，但火星不會(huì)濺出，只是較快地向四周擴(kuò)散。

（4） 當(dāng)鋼絲棉燃燒3～4秒后，實(shí)驗(yàn)者即可在胸前的豎直方向，快速甩動(dòng)燃燒的鋼絲棉，使其高速旋轉(zhuǎn)（做圓周運(yùn)動(dòng)）。此時(shí)，由于鋼絲棉與空氣的相對運(yùn)動(dòng)，使得鋼絲棉接觸到充足的氧氣（此時(shí)氧氣與鐵反應(yīng)放出的熱量足以達(dá)到鋼絲棉持續(xù)燃燒需要的溫度條件[1]），因而劇烈燃燒，火花綻放，火星四濺，非常刺激，異常壯觀（見圖3）。

（5） 當(dāng)飛濺出的火星已經(jīng)很少時(shí)，說明鋼絲棉即將燒盡。此時(shí)停止甩動(dòng)，并立即將殘留有火星的鋼絲棉浸入水中，以熄滅火種。

（6） 用磁鐵靠近掉落在地面上的黑色顆粒，發(fā)現(xiàn)黑色顆粒能被磁鐵吸引，初步說明鋼絲棉燃燒生成了四氧化三鐵，即： 3Fe+2O2點(diǎn)燃Fe3O4。

（當(dāng)然，若要進(jìn)一步驗(yàn)證鋼絲棉的燃燒產(chǎn)物，還需要使用稀硫酸、硫酸銅溶液等試劑，這一環(huán)節(jié)可以適時(shí)安排在后續(xù)的酸堿鹽教學(xué)中，本節(jié)課無需拓展）

（7） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品。

1.4 注意事項(xiàng)

（1） 在教室或?qū)嶒?yàn)室里甩動(dòng)燃燒的鋼絲棉時(shí)，甩動(dòng)的平面要面對學(xué)生并離學(xué)生一段距離（保證火星不飛向?qū)W生），實(shí)驗(yàn)者一定不要穿絨毛類、化纖類外衣（最好穿白色棉質(zhì)工作服），并確保實(shí)驗(yàn)場地沒有易燃物（如掃帚、絨狀的布簾、廢紙簍等），以免濺出的火星引發(fā)火災(zāi)、燙傷學(xué)生。

（2） 如果是在室外場地進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，甩動(dòng)鋼絲棉的動(dòng)作還可以花樣翻新。甩動(dòng)時(shí)，不僅可以在胸前豎直方向做圓周運(yùn)動(dòng)，還可以在頭頂上方水平旋轉(zhuǎn)（實(shí)驗(yàn)者必須戴帽子），或?qū)⒏鞣N旋轉(zhuǎn)方式穿插進(jìn)行。

（3） 用來甩動(dòng)的細(xì)繩必須結(jié)實(shí)，在實(shí)驗(yàn)前一定要仔細(xì)檢查，確保沒有破損，以防實(shí)驗(yàn)中細(xì)繩突然斷裂，造成燃燒的鋼絲棉飛出而釀成事故。

（4） 鋼絲棉屬于可燃物，其使用和保存必須嚴(yán)格遵守《化學(xué)危險(xiǎn)物品儲存消防安全管理辦法》中的有關(guān)規(guī)定。

（5） 實(shí)驗(yàn)過程中雖然產(chǎn)生了大量的火花，但火星在快速下落的過程中會(huì)很快冷卻。因此，本實(shí)驗(yàn)有驚無險(xiǎn)。

（6） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，一定要提醒學(xué)生“不得在家中擅自模仿”。若要在家中做此實(shí)驗(yàn)，必須有成年人現(xiàn)場指導(dǎo)，以確保實(shí)驗(yàn)安全。

1.5 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，材料易得（超細(xì)鋼絲棉可以網(wǎng)購且價(jià)格便宜），操作簡便，師生人人都能做成功，因此提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效益。

（2） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)新穎，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有趣，因此激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新精神。

（3） 超細(xì)鐵絲在空氣中就能燃燒的事實(shí)，促進(jìn)了學(xué)生對完全燃燒條件的認(rèn)識。

（4） 實(shí)驗(yàn)的演示無需另備氧氣，因此節(jié)省了藥品，降低了實(shí)驗(yàn)成本。

（5） 通過演示本實(shí)驗(yàn)，有利于提高學(xué)生的科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)意識。

（6） 該實(shí)驗(yàn)不僅適合課堂演示，還可以在化學(xué)晚會(huì)上或課外活動(dòng)中指導(dǎo)學(xué)生表演。

1.6 兩點(diǎn)說明

（1） 在課外活動(dòng)中，若想延長鐵在空氣中燃燒的時(shí)間，并濺出濃密的火花，可以截取較長的一段鋼絲棉，并多折疊幾層。

（2） 課堂上，如果使用超細(xì)鋼絲棉在氧氣瓶里做鐵的燃燒實(shí)驗(yàn)，只需直接點(diǎn)燃一綹鋼絲棉，然后伸入氧氣瓶里即可，此時(shí)鐵絲燃燒非常劇烈，濃密的火花四濺。因此，集氣瓶底部要放置較多的水（不少于2cm深）或鋪設(shè)較厚的一層細(xì)砂。

2 鐵與硫酸銅溶液的反應(yīng)

多年來，九年級化學(xué)教科書設(shè)計(jì)的鐵與硫酸銅溶液的反應(yīng)都是使用2～3根潔凈的鐵釘（或1根螺旋狀的鐵絲）。由于鐵釘（或鐵絲）與硫酸銅溶液的接觸面小，短時(shí)間內(nèi)僅可以觀察到鐵釘（或鐵絲）表面出現(xiàn)少許紅色固體，難以觀察到溶液的顏色由藍(lán)色變?yōu)闇\綠色。我們發(fā)現(xiàn)，如果將足量的超細(xì)鋼絲棉浸入硫酸銅溶液中，不僅短時(shí)間內(nèi)（0.7min左右）產(chǎn)生較多的紅色固體，同時(shí)可以觀察到藍(lán)色溶液變?yōu)槊黠@的淺綠色。

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

0000號超細(xì)鋼絲棉、0.3mol/L的硫酸銅溶液；30mm×200mm的大試管、與大試管配套的7號橡皮塞、塑料吸管、剪刀等

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置見圖4。

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

（1） 取一根塑料吸管，剪取長約4cm的一段，備用。

（2） 取一卷寬約6～7cm的超細(xì)鋼絲棉，剪下長約4cm的一段備用。

（3） 將剪下的鋼絲棉均勻地纏繞在細(xì)塑料管上，并確保卷起來的鋼絲棉直徑略大于大試管的直徑。

（4） 向大試管中緩緩注入0.3mol/L的硫酸銅溶液，溶液的量不超過試管容積的1/3；然后將卷好的鋼絲棉豎直塞入大試管的中部，并塞緊橡皮塞（見圖4）。

（5） 將大試管緩慢地顛倒4～6次，立刻觀察到鋼絲棉表面均勻地覆蓋著一層紅色固體，并且溶液的藍(lán)色逐漸變淺，最終變?yōu)闇\綠色。上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象充分說明鐵與硫酸銅溶液發(fā)生了置換反應(yīng)，即： Fe+CuSO4Cu+FeSO4。

（6） 將試管保持直立狀態(tài)，此時(shí)有明顯的放熱現(xiàn)象，可適當(dāng)松開試管口的橡皮塞。整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，及時(shí)清洗、整理實(shí)驗(yàn)用品。

2.4 注意事項(xiàng)

（1） 鋼絲棉與硫酸銅溶液接觸后，立刻生成大量的細(xì)小顆粒的金屬銅，并附著在鐵絲表面，這樣就導(dǎo)致鋼絲棉的透氣性明顯下降。因此，為了確保試管翻轉(zhuǎn)時(shí)硫酸銅溶液仍能順利穿過鋼絲棉，必須提前在鋼絲棉中間包裹一根細(xì)塑料管，并且不要將鋼絲棉卷得過于緊湊。

（2） 鋼絲棉與硫酸銅溶液快速反應(yīng)時(shí)放熱明顯，操作時(shí)必須將橡皮塞塞緊試管口，以防實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生沖塞現(xiàn)象。

（3） 為了增大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視性，盡量選用大容積的試管，并且硫酸銅溶液的濃度不宜過小（一般以0.2～0.4mol/L為宜[2]）。

（4） 引導(dǎo)學(xué)生觀察反應(yīng)后溶液顏色的變化時(shí)，注意跟原硫酸銅溶液做對比，并將一張白紙放在試管后面做襯托。

（5） 如果沒有硫酸銅溶液，也可以使用氯化銅溶液或硝酸銅溶液，而且相同條件下氯化銅溶液與鐵反應(yīng)的速率會(huì)更快一些[3]。

2.5 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 超細(xì)鋼絲棉與硫酸銅溶液能充分接觸，不僅加快了反應(yīng)速率，而且解決了以往課堂上難以觀察到的硫酸銅溶液變?yōu)闇\綠色的這一現(xiàn)象，因此提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

（2） 利用生活中的物品進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生對身邊化學(xué)物質(zhì)的探索熱情。

（3） 超細(xì)鋼絲棉與硫酸銅溶液快速反應(yīng)的事實(shí)，有利于學(xué)生認(rèn)識到反應(yīng)物接觸面對提高化學(xué)反應(yīng)速率的促進(jìn)作用。

（4） 本實(shí)驗(yàn)既能用于質(zhì)量守恒定律的教學(xué)，也可以在金屬化學(xué)性質(zhì)的教學(xué)中進(jìn)行演示。

3 結(jié)束語

由于超細(xì)鋼絲棉的比表面積特別大，故其表面活性非常強(qiáng)，一些化學(xué)特性也因此發(fā)生了極大的改變[4]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，巧妙利用超細(xì)鋼絲棉改進(jìn)和設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅能顯著提高有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的速率，還能放大有關(guān)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)豐富了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。超細(xì)鋼絲棉作為實(shí)驗(yàn)材料來自于生產(chǎn)生活，這不僅能激發(fā)學(xué)生探究身邊物質(zhì)的好奇心，也提高了化學(xué)教師開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的能力，并在一定程度上降低了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本。

總之，上述兩個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)都達(dá)到了“一看就懂、一學(xué)就會(huì)、重在思維引導(dǎo)”[5]的創(chuàng)新效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉蕊， 丁偉. “固體燃燒”相關(guān)問題釋疑——從“鐵燃燒”實(shí)驗(yàn)說起[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2010， （2）： 75～77.

[2]劉加虎. 鐵跟硫酸銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探討[J]. 中學(xué)化學(xué)， 2009， （6）： 21～21.

[3]姜根華. 對鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究[J]. 化學(xué)教與學(xué)， 2013， （3）： 93～94.

[4]何丹丹， 金晶， 路遙等. 納米鐵粉燃燒特性研究[J]. 上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012， （1）： 88～92.

[5]李小紅， 桂耀榮. 對化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程創(chuàng)新的思考[J]. 江西教育， 2016， （14）： 50～51.