对铁丝在空气中加热反应产物的研究

李俊生

在用砂纸打磨过的20 cm长的2号挂窗帘铁丝代替铂丝做焰色反应时发现，铁丝表面变成黑灰色，很多学生认为是发生了化学反应，并认为反应的产物是F^e₃O₄（因为初中化学做过铁丝和纯氧反应的化学实验）。这种结论也得到部分教师的认可。那么，事实真的是这样吗？理论和实验研究表明两者的生成物是有差异的，具体分析如下。

1实验研究

取一用砂纸打磨过的20 cm长铁丝（挂窗帘用），再用蒸馏水冲洗，快速干燥后表面呈现银灰色，把干燥后的铁丝一部分置于酒精灯外焰上加热，这时可观察到铁丝接触到火焰的部分颜色变深，逐渐变为灰黑色。继续加热铁丝呈红热状态，而灰黑色部分向铁丝远离火焰的方向移动，停止加热且待铁丝自然冷却，与未经灼烧的铁丝对比，处于火焰位置的铁丝灰黑色加深，而未被火焰加热到且邻近火焰加热部分的铁丝则变为蓝黑色且有光泽，具体情况如图1所示。

2理论分析

由于铁在加热的情况下与空气中的氧气反应非常复杂，形成的氧化膜非常薄，限于实验条件只能进行相关的理论分析，进而得出结论。

2.1在不同的温度下，铁与氧气反应产物的分析

研究表明铁和氧气发生的氧化反应是非常复杂的，其影响因素很多，目前尚未建立完善的机理分析，一般认为铁和氧气的氧化反应比较复杂，最终的氧化产物既与温度有关也与反应产物的冷却速度有关。当温度低于570 ℃时只生成F^e₃O₄和F^e₂O₃；当温度高于570 ℃时才生成F^eO层和F^e₃O₄层（中间层）以及F^e₂O₃层（最外层），三者的厚度比为100∶10∶1或95∶4∶1。理论研究表明，纯铁在空气中或纯氧中缓慢加热，经历下列几个氧化阶段。

2.1.1氧气在金属表面吸附并得电子形成氧化膜

当温度加热到200 ℃以前，研究认为金属铁表面层带有负电荷，这些电子可以转移到吸附在金属铁表面的O₂上。此时金属本身转化为F^e3+，而O₂转化为O-2，而后O-2之间借助斥力而分开并重新分布，分布的结果是O-2被F^e3+离子包围形成F^e₂O₃薄膜，随着温度进一步升高，发生化学反应6F^e₂

O₃=4F^e₃O₄+O₂，此时形成双层氧化膜F^e₃O₄～γF^e₂O₃。

当温度加热到200～400 ℃时，发生相变γF^e₂O₃→αF^e₂O₃，形成F^e₃O₄～αF^e₂O₃两层结构，并且当温度加热到400～575 ℃时，在αF^e₂O₃层之下，F^e₃O₄层长大为较厚膜层。

当温度高于575 ℃时，在F^e₃O₄层之下开始生成F^eO，发生化学反应2F^e₃O₄=6F^eO+O₂或F^e₃O₄+F^e=4F^eO，氧化膜从里到外由F^eO—F^e₃O₄—F^e₂O₃ 3层组成。

2.1.2铁的氧化物膜层的增长

伴随着铁的不同形式的氧化物的出现，随之而来的就是不同形式的氧化物膜层的增长。研究认为，F^eO、F^e₃O₄都为P型半导体，而F^e₂O₃都为N型半导体，当铁丝加热到570 ℃以上时在F^e/F^eO界面上，铁失电子，F^e=F^e2++2e-，F^e2+和e-分别经过铁离子空穴向外扩散；达到F^eO/F^e₃O₄界面时，发生化学反应F^e2++2e-+F^e₃O₄=4F^eO，并不断地提供F^e2+、F^e3+。经过F^e₃O₄四面体或八面体空位扩散，电子经空穴迁移，在F^e₃O₄/F^e₂O₃界面形成F^e₃O₄，发生的化学反应为F^en++ne-+4F^e₂O₃=3F^e₃O₄，其中n值为2或3；如果F^e3+或e-经过空穴向外扩散，这时会在F^e₂O₃/O₂界面发生4F^e3++12e-+O₂=2F^e₂O₃，在此界面上同时发生O₂+4e-=2O-2。此时O-2离子在F^e₂O₃层内向内扩散，在F^e₃O₄/F^e₂O₃界面上发生反应2F^e3++3-O₂=F^e₂O₃，这时向外迁移的e-使O₂离子化。在这个过程中，3层氧化膜都得到了增加，当然铁丝里面存在一定量的碳，这些碳会影响氧化膜和铁的粘附性，具体情况如图2所示。

3层氧化膜以及增长机制

2.2在一定温度下铁和氧气反应的产物随温度降低的快慢，产物形式变化情况的分析

反应后的冷却温度的快慢也影响着生成物的微观组成，X-射线衍射分析表明冷却温度对产物组成的影响有如下规律。

（1）快冷条件下产物中，F^eO（82.6%），F^e₃O₄（17.4%），快冷时产物与铁基体附着力较强，F^e₃O₄层厚度均匀。

（2）慢冷条件下产物中F^eO（63.4%），F^e₃O₄（29.8%），F^e₂O₃（6.8%）；这时产物与铁基体附着力较弱，F^e₃O₄层厚度不均匀，分布不规则，且慢冷时F^eO层内有零散分布的F^e₃O₄析出。

3铁丝在空气中加热实验现象分析以及反应产物的确认

通过1实验研究可以发现铁丝加热出现的现象较丰富，但是为了分析可以把复杂的实验现象加以归类研究，具体情况如下。

（1）加热时铁丝逐渐变为灰黑色。

（2）继续加热，灰黑色向温度低的方向移动。

（3）自然冷却后处于火焰部分灰色加深，紧邻火焰且未被灼烧的部分出现蓝黑色有光泽。

研究表明，酒精灯火焰的温度为：焰心的平均温度598 ℃，内焰的平均温度783 ℃，外焰的平均温度667 ℃，铁的熔点为1 534 ℃。结合上面的有关数据以及铁的熔点温度，认为在空气中用酒精灯外焰加热用砂纸打磨过的铁丝后，应该形成以加热点为中心向外温度逐渐降低的温度场。由于当温度高于575 ℃时，氧化膜从里到外由F^eO—F^e₃O₄—F^e₂O₃ 3层组成，且三者的厚度比为100∶10∶1或95∶4∶1，所以会出现加热时铁丝逐渐变为灰黑色，继续加热，灰黑色向温度低的方向移动。由于存在以加热点为中心向外温度逐渐降低的温度场，因此这种灰黑色向温度低的方向移动的过程是一个氧化膜逐渐变薄的过程。研究表明，当这种氧化膜的厚度超过2.5 μm时，颜色表现为灰黑色，而当氧化膜的厚度在0.6～1 μm时，颜色表现为蓝黑色有光泽，所以才会出现灰黑色到蓝黑色的变化。另一方面加热完毕后冷却是在室温下进行，这种冷却应该是一种缓慢的冷却，冷却对氧化产物的影响自然是存在的，前面的理论分析认为缓慢冷却后的产物组成是F^eO（63.4%）-F^e₃O₄（29.8%）-F^e₂O₃（6.8%），整个的加热或冷却过程中F^eO或F^e₃O₄是主要的氧化产物，F^e₂O₃的量很少，因此F^e₂O₃对铁丝加热或冷却的颜色变化影响并不显著，这可以从实验过程中铁丝的颜色变化情况得到证明。

4教学建议

日常生活或学习中我们经常遇到铁丝在空气中加热出现的类似实验现象，也会有学生问起类似实验问题的现象如何解释以及现象产生的原理问题，比如：焰色反应中钢丝代替铂丝（这时类似的实验现象更明显）、不锈钢餐具碰到高温热源、锯片或刀片受到高温等问题都与铁丝在空气中加热出现的实验现象有关联。因此，教学中对这类问题应该有一个比较符合学生认知的解决问题策略，问题解决最好不要涉及过多的理论解释，避免使问题的复杂化而引起学生理解困难。对此建议如下。

铁丝在空气中加热主要是生成了内层为F^eO、外层为F^e₃O₄的氧化物薄膜，化学反应方程式可认为是：3F^e+2O₂ΔF^e₃O₄、

F^e₃O₄+F^eΔ4F^eO。

当生成的这种薄膜比较厚时，表现为灰黑色；生成的这种薄膜较薄时，表现为蓝黑色有光泽。

上述教学建议可以较好地解决铁丝在空气中加热过程中出现的实验现象以及类似实验问题。按照上述两点教学，不会使学生对问题的理解造成困难，同时也较好地解决了学生在现有知识背景下理解铁丝代替铂丝做焰色反应时铁丝表面颜色变化的问题，对全面认识焰色反应实验中出现的问题，培养学生观察问题的能力以及解决问题的能力等具有重要意义。