铁粉与水蒸气反应的实验设计与改进

张艳红　匡传荣

摘要：人教版教材中铁与水蒸气实验是铁作为活泼金属的有力证据，但按教材的实验设计进行操作成功率不高。经反复实验探究，通过采用胶头滴管作为水源，脱脂棉作为水的载体，改进的实验装置简单、实验操作方便安全，实验现象明显，成功率更高。

关键词：铁粉；水蒸气；水源

文章编号：1008-0546（2015）03-0088-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

一、问题提出背景

人教版高中《化学1》第三章第一节“金属的性质”中“铁与水蒸气反应”的实验[1]，实验装置包括水蒸气发生装置、铁粉与水蒸气反应装置、氢气检验装置三个部分。笔者按照教材的实验装置经过反复实验发现原实验棉花碳化现象严重、产生的氢气量少，实验现象非常不明显，实验成功率很低。分析原因发现该实验是固体铁粉与气态水蒸气的气固异相反应，该反应难度较大；其次水蒸气遇冷极易液化难以参加反应。具体来说就是湿棉花提供的水蒸气还未与铁粉反应就已扩散，遇冷的试管壁液化。所以保证足量的水蒸气与铁粉充分接触是本实验成败的决定因素。目前针对该实验的改进方案颇多，主要集中在水蒸气的发生，改进思路包括两方面。一是实验药品的选用，如将自来水改为吸水的红砖粉末[2]、湿沙子[3]、粉笔碎屑或粉末、泡沫塑料、Mg（OH）2、Ca（OH）2[4]、胆矾[5]等。上述改进方法通过改变水的载体，达到了预期的实验目的。但在实际教学过程中教师需要对新引入的载体如红砖、沙子、粉末等具体的成分，在反应过程中各物质的变化，分解温度等问题进行必要的解释和讨论，从而加重了学生的学习负担，也冲淡了本实验的实验目的。二是水蒸气发生装置仪器的改进。如将湿棉花改为用试管装水[6]、注射器、铜槽、二头酒精灯[7]等。试管装水提供水蒸气虽然增加了水蒸气的量，但同时水蒸气冷凝的面积也增加，水蒸气产生的效率实质并没有增加。用注射器提供水源理论可行，但实际操作时由于注射器推动阻力大，使注射器内的水较难推入到试管中。将铁粉平铺在铜槽上，避免铁粉与玻璃管直接接触，防止玻璃管炸裂，但是隔热加热铁粉到反应温度需要较高温度，加热时间长，对酒精灯要求高，增加了实验装置的复杂性。

二、本文改进思路和优点

笔者针对上述2类改进实验方法中的存在的弊端，设想从水蒸气发生装置、反应装置上完善实验的改进，具体改进思路和优点分述如下：

（1） 水蒸气发生装置采用胶头滴管作为水源。在教材原实验采用湿棉花的基础上增加胶头滴管，同时采用普通的酒精灯而非酒精喷灯就能获得非常明显的实验现象。其次，反应的持续性和可控性好。采用的胶头滴管不仅能够保证有足量的水产生水蒸气，与高温铁粉接触，产生较多氢气，实验现象明显，而且也能通过控制胶头滴管滴加的水量来控制反应进度，使实验更具持续性与可控性；最后用胶头滴管不断补充水源，避免了干棉花加热焦化，污染环境。

（2） 采用硬质中通玻璃管反应装置，实验仪器选用回归常规化，贴近高中实验室条件的现实。

（3） 采用脱脂棉作为载体，实验安全性强。湿棉花一方面作为水源提供水蒸气，另一方面又吸水，吸收水蒸气在试管左端冷凝形成的水珠，从而避免了水与试管的高温部分直接接触而造成的试管炸裂。

（4） 实验药品选用普通的自来水，直观有力地证明了铁与水蒸气的反应本质，避免了学生理解其他物质提供水源时产生的较多的认知负荷，适用于课堂演示实验。

（5） 实验现象明显，成功率高。实验不仅能够产生连环泡珠似的大量气泡，点燃发出尖锐的爆鸣声，而且将尖嘴尖端的气泡引向空中时能在空中点燃，从视觉和听觉两个方面增加实验的趣味性。用改进后的实验装置做实验成功率很高，避免了课堂演示实验失败的尴尬局面。

三、实验改进方案

[实验名称] 铁粉与水蒸气反应的实验设计与改进

[实验目的] 通过铁粉能与水蒸气反应的实验认识到铁单质是一种活泼的金属，学会通过实验现象培养学生分析推理的逻辑思维能力。

[实验仪器与试剂]

硬质中通玻璃管、酒精灯、胶头滴管、蒸发皿、脱脂棉、橡胶塞、尖嘴管、橡胶管、竹签，还原铁粉、自来水、肥皂液。

[实验原理]

3Fe+4H2O（g）[=][△]Fe3O4+4H2

[实验装置图]

[实验操作]

（1） 按实验装置图组装实验仪器，检查装置气密性。

（2） 向硬质玻璃管中添加3-4药匙还原铁粉，并用纸槽送入硬质中通试管，使其平铺于试管；靠近铁粉左端加一团已吸附较多水的脱脂棉（保证脱脂棉覆盖在还原铁粉上约1cm），将胶头滴管吸满自来水置于脱脂棉与铁粉相交处。

（3） 向蒸发皿倒入适量已准备好的肥皂液备用。

（4） 先用酒精灯预热硬质中通试管，然后加热靠近脱脂棉但未与脱脂棉相交的铁粉处，持续加热1-2 min。加热过程中缓慢挤压胶头滴管，补充加热挥发的水分，保证脱脂棉水分适中。

（5） 将玻璃尖嘴口插入蒸发皿的肥皂液。当液面聚集较多气泡时，移开玻璃尖嘴口，用燃着的竹签靠近气泡，当听到“噗”的一声，证明产生的气体是氢气。

（6） 实验结束，先从肥皂液中撤出玻璃尖嘴，再移去酒精灯并熄灭酒精灯。

[实验注意事项]

（1） 加热一段时间后再将玻璃尖嘴插入肥皂液中，过早插入吹起的是空气泡，也防止在开始加热铁粉时发生倒吸。

（2） 肥皂液不宜太稀，否则吹起的氢气泡太小，点燃时难以有较大的响声。

（3） 实验结束时应先从肥皂液中撤出导管，再移去燃着的酒精灯。

参考文献

[1] 宋心琦主编. 普通高中化学课程标准实验教科书·化学1 [M]. 北京：人民教育出版社，2007： 2

[2] 曹义科.铁与水蒸气反应实验的创新改进[J].教学仪器与实验，2014，（10）：43

[3] 赖陆锋.李春燕.铁与水蒸气反应的实验改进[J]].化学教育，2008，（3）：63

[4] 黄菊.刘胜茂.铁与水蒸气反应的研究[J]].中学教学参考，2007，（92）：128

[5] 成志高.铁与水蒸气反应实验的新设计[J]].中学化学教学参考，2014，（1）：48

[6] 陈新智.铁跟水反应的实验探究[J]].化学教学，2004，（12）：15

[7] 刘英杰.铁粉与水蒸气实验改进新法[J]].化学教学，2010，（11）：12