铁与水蒸气反应实验的探究

谭宗俊　向雪皑　樊　敏

文章编号：1005－6629(2009)05－0075－03中图分类号：G632.479文献标识码：B

［问题］某学生课外实验探究小组的同学看到老师在演示教材上铁与水蒸气反应的实验需要的时间相当长，且不易成功，他们仔细研究了该实验装置后，经过反复讨论认为该实验主要是以下3点导致了实验的不易成功：1.隔着石棉网加热时传热太慢；用较大烧瓶作为水蒸气发生器，耗热太多，从而使点燃酒精灯到产生水蒸气的时间太长。2.产生的水蒸气流过还原铁粉时，因为流速较快带走了大量的热量，从而使铁粉和水蒸气加热时不易达到反应的温度。3.用向下排空气法收集氢气时，因反应的程度低和气体流速较快，收集满氢气需要的时间太长。为此他们根据如下思路来设计和改进该实验的探究：(见图1)

1.取消石棉网，用可以耐高温的玻璃仪器，直接对玻璃仪器加热。

2.将产生水蒸气的装置和反应装置合并在一起，用一个装置来完成原来装置两部分所起的功能。

3.检验反应产生的氢气时，不用收集就直接点燃，因为反应如果能够发生的话，生成物中只有氢气是可以燃烧的，如果能够点燃气体，就可以证明反应发生了。

同学们讨论后一致认为：可以用两种方案来实施改进：

方案I：用吸水性强的固体，在高温加热时又不和水反应的物质作为该反应的吸水载体，将此物质湿润后和铁粉混合均匀在同一装置中直接高温加热使之发生反应。

方案II：将原来产生水蒸气的液态水改成在较高加热温度时让某种固体物质产生的水蒸气和铁粉接触，为此他们通过查阅资料和平时熟悉的物质的性质，进行筛选得到如下物质和数据：

对于方案I所选择的吸水性强的物质：a. 高温锻烧后的建筑用红砖的粉末，b. 粉笔碎屑或粉末，c.棉花，d.泡沫塑料，e.河沙。

对于方案II备选的物质(见表1)

有以下玻璃仪器：烧瓶、硬质玻管、硬质大试管、装有固体干燥剂的干燥管、玻璃弯管和注射器针头(铁架台和酒精喷灯已略去)(见图2)

根据以上回答下列问题：

1.铁和水蒸气反应的化学方程式：_________。

2.你认为给出的玻璃仪器中，可以用作反应器的是(填写编号)：_____________。如果要检验实验产生的气体是氢气，选用的仪器按照从左到右的顺序依次是(填写编号)____________。如果要直接点燃氢气来验证反应已成功发生，你觉得应该在(a.反应刚开始、b.反应开始一段时间后、c.反应即将结束时)(填编号)______，原因是_____________。

3.对于方案I的探究，你觉得备选物中可以用来润湿后和铁粉在高温后进行反应的物质是(至少选两种，填编号)_______，对于方案II，根据图表中的数据，你觉得用作和还原铁粉加热时产生水蒸气的固体试剂较好的是：(填写化学式)_____，原因是：_____________________。

4.你觉得该实验改进方案II中所选用的固体试剂和还原铁粉的质量比(忽略颗粒不均的因素)最好为：_______，原因是___________________。

［命题意图］本题属于原创题，是为2008年四川高考理综合试卷中化学实验准备的备选题之一。取材于四川和部分省市还在使用的旧人教版高二化学的演示实验，该实验如果按照教材上的仪器和操作一般都不能成功，而新人教版也将此实验作为学生探究实验编排在化学必修I中，本题意在教学生发现实验中的问题，利用生活中熟悉的物质结合实验中的基础知识，创新地解决化学实验中的问题(方案I)，教学生初步学会利用数据，去粗取精、去伪存真(方案II)，培养创新设计和解决问题的能力，完全符合新课程标准的要求。

［试题点评］

1.联系生活，贴近教学实际

将化学学习中碰到的问题与生活常识与化学知识完美结合，生活中吸水性强的物质是学生具有的常识，在高温时又不会发生其他干扰本实验的化学反应，是基础的化学知识，结合起来可解决实验探究中遇到的问题。(方案1)

2.重视基础，从基础中创新

人教版新教材选修《实验化学》中这样叙述：“美国阿波罗登月计划”总指挥韦伯在“阿波罗”登月成功后曾说：“阿波罗计划”中没有一项新发明的技术，关键是现成的技术，关键在于综合。综合也是创新……，综合利用学生已掌握的各种知识和技能，可以尝试实验设计上的“创新”。铁和水蒸气在高温时能发生反应，是本节的基础知识，方案II表格中的数据，各物质在加热时能够产生反应中需要的水蒸气也是学生已有的基础知识，将二者和本实验的仪器、原理相结合，设计出创新的实验探究方案，就是在基础上的创新，符合课程改革的精神。

3.重视分析数据的能力培养

方案II的表格中，分别给出了8种物质在加热时能产生水蒸气的温度，在分析这些数据时，必需仔细读出反应是在高温时才能发生的关键含意，因此加热时产生水蒸气的温度较高时，对反应才有利，试题注意了培养学生去伪存真、遴选、甄别数据的能力。

4.定性与定量相结合

实验探究方案设计的初衷是为了完成定性要求，而本小题中对于产生水蒸气的固体物质和铁粉的质量关系的求解，则是将定性实验与定量实验相结合。需从实验涉及到的两个基本反应中寻求关系，将学生在能力上的要求提高到一个新的层次。

5.具有一定的开放性，力求提升学生的思维质量

试题2、3的第一、二空的答案的设计有一定的开放程度，有意设置了一定的干扰信息，意在提高学生答题时的思维质量。解答时具有批判性思维，在批判中有创新，避免简单的机械组合。

6.源于教材、高于教材

试题取材于教材实验，用实验存在的问题作为试题的自然生长点，不偏、不怪、又不是教材实验的简单再现，源于教材而又高于教材，避免了“照方抓药”、“依葫芦画瓢”式的验证实验，对于教材实验有着质量的升华。

［解答思路］

重要的是发现和提出问题，本题以问题为起点，环环相扣，解析如下：

1.本小题纯粹是基础知识的再现，属于简单识记内容, 也是面向全体学生的部分, 容易得出答案。

2.第一填空有意将原教材演示实验中用的燃瓶给出作为干扰信息，要求学生读题时读出“反应器”的关键词，同时题干中已分析出烧瓶体积太大，且烧瓶也不能用来直接加热固体，就可选出b、d或(c、d)的答案，第二填空是在第一填空的基础上递进，增加了干燥和点燃部分的仪器，干扰信息是玻璃弯管，答案为b、d、e、f或(c、d、e、f)，这两填空均有一定的开放性。第三、四填空都是结合初中知识，氢气点燃时要避免其中混有空气发生爆炸的危险。

3.第一填空设置了干扰信息c、d，学生的生活知识中应该知道棉花和泡沫塑料在高温时要发生影响本实验的反应，并干扰实验的完成而不利于检验氢气的存在, 故答案是a、b、e中任选两个即可；第二、三填空是考查学生处理和遴选数据的能力，要分析表格中所给物质产生水蒸气的温度，因为本实验是要在高温下铁才能和水蒸气反应，所以应该选择在较高温度下产生水蒸气的物质来和铁粉混和。

4.是将实验的定性和定量相结合，来选择理想状态下的固体质量比。答案：1. 3Fe+4H₂O=Fe₃O₄+4H₂↑

2. b、d或(c、d)；b、d、e、f或(c、d、e、f)；b.如果选a，反应刚开始时，产生的氢气中可能会有空气，点燃时会爆炸，如果选C，反应即将结束时，产生的氢气量少，不易点燃。

3. a、b、e中任选两种，Ca(OH)₂或Mg(OH)₂；加热时产生水蒸气的温度较高，易和铁粉反应产生氢气。

4.由反应：Ca(OH)₂=CaO+H₂O↑, 3Fe+4H₂O=Fe₃O₄+4H₂↑, 可得出关系式： 3Fe=4Ca(OH)₂, m(Fe)/m[Ca(OH)₂] = 3×56/4×74=21/37；同理，如果选用Mg(OH)₂， 3Fe=4Mg(OH)₂， m(Fe)/m[Mg(OH)₂]=3×56/4×58=21/29，氢氧化物加热时产生的水蒸气刚好和铁粉完全反应。

本文为四川省教育厅资助项目《中学化学教学论实验与中学教师实验探究创新成果结合的研究》成果之一。

参考文献：

[1]谭宗俊，向雪皑.铁与水蒸气反应实验的改进[J].中学化学，2003(12),21.

[2]孙卫中，王程杰.铁与水蒸气反应的实验设计研究[J].化学教学，2007(11),16-17.

[3]徐小健.铁与水蒸气反应实验的改进[J]化学教学,2005(4),9.

[4]陈新智.铁与水反应的实验探究[J].化学教学，2004(12),15-16.