磁鐵在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用初探

李曼曼

摘要：磁鐵在日常生產(chǎn)生活中應(yīng)用非常廣泛，目前在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中鮮少涉及，在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用也僅涉及用磁鐵來吸引鐵以鑒別或收集金屬鐵等。雖然磁鐵重點(diǎn)傾向于物理學(xué)等學(xué)科上的應(yīng)用，但科技發(fā)展日新月異，多學(xué)科融合開發(fā)以及應(yīng)用越來越重要。經(jīng)過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，開發(fā)出了一系列磁鐵在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用案例。

關(guān)鍵詞：磁鐵;中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn);固定;牽移

文章編號：1008-0546（2022）05-0090-03中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.05.019

一、白磷在水中燃燒實(shí)驗(yàn)

白磷在水中燃燒實(shí)驗(yàn)（見圖2），是基于教科書上的燃燒條件的深度探究實(shí)驗(yàn)，白磷在水中燃燒，溫度稍高（44.1℃）易變成液滴，在水中游動，燃燒現(xiàn)象不持續(xù)，白磷上下游動不安全，操控起來不易。

若采用釤鈷磁鐵和鐵絲網(wǎng)固定白磷，白磷即便燃燒起來也不易沖出鐵絲網(wǎng)，白磷在水中燃燒雖然放出熱量，因?yàn)橛兴諢崃?，局部溫度不會超?00℃，所以釤鈷磁鐵（可以承受300℃以上的高溫）幾乎不會受此溫度影響而消磁[1]。

1.實(shí)驗(yàn)用品

白磷，80℃熱水，一塊釤鈷磁鐵（圓形橫截面直徑約2 cm），超細(xì)鐵絲（0#鐵絲棉），250 mL燒杯，導(dǎo)管，裝滿氧氣的氣球，乳膠管，止水夾等。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用超細(xì)鐵絲繞成一個(gè)約手指頭大小的鳥窩狀的鐵絲網(wǎng)，能放下半個(gè)手指頭。

（2）準(zhǔn)備一個(gè)250 mL的中等大小燒杯，在燒杯中加入150 mL左右的熱水（水溫在80℃左右）;取一小塊白磷，如果白磷較大可以用小刀切成小塊，用鑷子夾取后放入熱水中，將準(zhǔn)備好的超細(xì)鐵絲網(wǎng)凹口的一端倒扣在熱水中白磷上方，用鑷子先暫時(shí)固定，另拿出一塊圓形釤鈷磁鐵，迅速放在燒杯下方靠近鐵絲網(wǎng)位置，鐵絲網(wǎng)和釤鈷磁鐵隔著燒杯玻璃緊密貼在一起，并固定好，燒杯下方圍繞磁鐵周圍可事先墊入合適厚度的木塊保持燒杯平衡。

（3）將導(dǎo)管與氧氣球用乳膠管連接，打開止水夾，將氧氣用導(dǎo)管通入燒杯中，慢慢接近鐵絲網(wǎng)，當(dāng)氧氣透過鐵絲網(wǎng)接觸到白磷時(shí)，白磷持續(xù)燃燒，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4.幾點(diǎn)說明

（1）超細(xì)鐵絲網(wǎng)的制作，最好選用的是不太細(xì)的鐵絲棉，本實(shí)驗(yàn)選用0#鐵絲棉，太細(xì)的質(zhì)軟不易成型，太粗也不合適，雖然支撐度好，但空隙太大，熔化的白磷容易透出。

（2）本實(shí)驗(yàn)中用的是釤鈷磁鐵，釤鈷磁鐵磁性強(qiáng)，可耐高溫300℃ ，性能優(yōu)越，但是易碎，使用時(shí)可以在磁鐵外部裹上一層輕薄的紗布。

（2）白磷不宜太大塊，一般黃豆粒大小，剛好能放進(jìn)鐵絲網(wǎng)內(nèi)即可。

（3）本實(shí)驗(yàn)中熱水溫度不宜過高，容易燙傷人員，也不宜太低，容易降溫到40℃以下，白磷溫度達(dá)不到著火點(diǎn)了。

二、氨分子運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)行上海教育出版社《義務(wù)教育教科書·化學(xué)》安排的氨分子運(yùn)動實(shí)驗(yàn)（裝置如圖4所示）[2]，由于實(shí)驗(yàn)對環(huán)境不夠友好，使用藥品多，不利于學(xué)生透過現(xiàn)象總結(jié)結(jié)論。

借助磁鐵（對溫度要求不高，普通銣鐵硼磁鐵也可行）對上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)了趣味性，易操作，用量少，節(jié)約資源，污染小，可重復(fù)利用。

1.實(shí)驗(yàn)用品

兩塊磁鐵組合，內(nèi)徑均為2 cm左右，其中一塊為帶孔磁鐵，集氣瓶一個(gè)，毛玻璃片一片，脫脂棉，細(xì)鐵絲，濃氨水、酚酞溶液等。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）在帶孔的圓柱形磁鐵上繞上細(xì)鐵絲，細(xì)鐵絲上分別固定一些脫脂棉，然后與另一塊磁鐵形成磁鐵組合固定在毛玻璃片兩面，先倒放在桌面上。

（2）先在細(xì)鐵絲上的脫脂棉上滴上適量酚酞溶液，然后向一集氣瓶中滴入少量濃氨水，接著將毛玻璃片蓋在該集氣瓶上，觀察到脫脂棉變紅了。

（3）再打開毛玻璃片，在空氣中搖晃一會，能觀察到脫脂棉上的紅色褪去，再放入集氣瓶中，又變成紅色，反反復(fù)復(fù)，現(xiàn)象明顯有趣。

（4）觀察、記錄并解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4.幾點(diǎn)說明

（1）現(xiàn)行滬教版初中化學(xué)教科書中設(shè)計(jì)的二氧化碳的制備實(shí)驗(yàn)是在普通的單孔試管中進(jìn)行的[3]，這樣的設(shè)計(jì)固液不能分離直至反應(yīng)結(jié)束，造成藥品浪費(fèi)。其實(shí)，仍然可利用磁鐵組合改進(jìn)裝置，只需利用磁鐵組合固定和牽移塊狀藥品（見圖6所示裝置），就可以輕易實(shí)現(xiàn)固液分離，即實(shí)現(xiàn)固體反應(yīng)物的“可移動性”，從而使反應(yīng)物之間實(shí)現(xiàn)接觸和分離，進(jìn)而控制反應(yīng)開始和發(fā)生，原理簡單，對比啟普發(fā)生器，更利于學(xué)生直觀理解。同理，一般的需要固液分離的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要是塊狀固體，都可以用磁鐵組合來實(shí)現(xiàn)，例如：用鋅粒制取氫氣的實(shí)驗(yàn)等。

三、銅與濃硫酸的反應(yīng)

現(xiàn)行人教版普通高中教科書中濃硫酸與銅絲反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示[2]，該裝置通過抽拉橡膠塞上的銅絲來實(shí)現(xiàn)固液分離，操作有一定的難度，不易實(shí)現(xiàn)，且缺乏防倒吸裝置。

我們利用磁鐵組合和單向閥重新改進(jìn)上述實(shí)驗(yàn)中的發(fā)生裝置，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

1.實(shí)驗(yàn)用品

濃硫酸、銅絲、兩塊圓柱形釤銣磁鐵組成磁鐵組合，其中放在內(nèi)壁的磁鐵是帶孔的磁鐵，大試管（30 mm×300 mm），移液管、酒精燈，打火機(jī)，單孔乳膠塞，單向閥、導(dǎo)管等。

2.實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）先按如圖8所示裝置，將帶導(dǎo)管的單孔橡膠塞旋進(jìn)試管，將導(dǎo)管口放入水中，用手握住試管，若有氣泡從導(dǎo)管口出現(xiàn)，證明氣密性良好。

（2）用移液管移取適量濃硫酸注入試管底部，盡量不要滴在內(nèi)壁上，后連接好并固定好裝置。

（3）準(zhǔn)備好一塊帶孔的釤鈷磁鐵，拿出一根銅絲，一端繞成螺旋狀，一端繞緊在剛準(zhǔn)備好的釤鈷磁鐵上，拿出另一塊釤鈷磁鐵在試管口輕輕接觸，中間隔著試管玻璃片緊貼，形成磁鐵組合，帶銅絲的磁鐵放在燒杯內(nèi)壁，暫時(shí)固定在管口，在導(dǎo)管口連接一單向閥，只能導(dǎo)出氣體不能使氣體倒吸。

（4）點(diǎn)燃酒精燈，先預(yù)熱后固定加熱，然后移動磁鐵組合牽引銅絲將其送到試管底部，讓銅絲與濃硫酸接觸。

（5）反應(yīng)需要結(jié)束時(shí)，向上移動磁鐵組合牽引銅絲向上提與濃硫酸分離，緊接著撤掉酒精燈，反應(yīng)即終止。

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)用品，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4.幾點(diǎn)說明

（1）組成磁鐵組合時(shí)，要保證磁吸力足夠，如果吸力偏弱可以換磁力更大一些的磁鐵，在進(jìn)行磁鐵組合的移動時(shí)，速度不宜過快，需要緩慢移動。

（2）在需要加熱的實(shí)驗(yàn)中，需要用耐高溫的釤鈷磁鐵，一般不對釤鈷磁鐵直接加熱防止消磁。本實(shí)驗(yàn)中用到濃硫酸具有強(qiáng)腐蝕性，也可以把內(nèi)壁的釤鈷磁鐵換成十字形或鋸齒形磁力攪拌子，既能讓銅絲纏繞在其上且耐酸堿腐蝕，不干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（3）教科書中實(shí)驗(yàn)沒有防倒吸裝置，本實(shí)驗(yàn)中加入單向閥，順利解決了倒吸問題。

四、結(jié)束語

通過以上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)來展示磁鐵在中學(xué)化學(xué)中的應(yīng)用初探，這僅僅是磁鐵在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中可開發(fā)的一角，實(shí)際上，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，磁鐵組合還能用于在特殊不規(guī)則容器中加入塊狀藥品，參考圖9，內(nèi)壁的磁鐵建議用磁力攪拌子，耐酸堿腐蝕，不干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。若把磁鐵組合中的一塊磁鐵用鐵絲棉包裹住，可以放在特殊不規(guī)則容器中，這樣形成的磁鐵組合還可以通過牽引轉(zhuǎn)動鐵絲棉來進(jìn)行特殊不規(guī)則容器的清洗工作，參考圖10。

磁鐵，最常見的材料，廉價(jià)易得，可重復(fù)使用，用它進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，既節(jié)約藥品，又綠色環(huán)保;不僅現(xiàn)象直觀，而且由現(xiàn)象到結(jié)論很流暢;不但豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，還有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。

總之，如此簡單的儀器卻可以改進(jìn)多個(gè)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科融合開發(fā)教學(xué)。為了讓化學(xué)核心素養(yǎng)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里生根落地，我們一線化學(xué)教師要不斷進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，從而開發(fā)出更多優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)素材。

參考文獻(xiàn)

[1]張秋源，利用釤鉆永磁鐵的夾具設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2006（10）：68—70.

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[3]人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心，普通高中教科書·化學(xué)（必修2）[M].北京：人民教育出版社，2019：5.