铁钉锈蚀条件的探究实验改进＊

朱红杰 秦光献



铁钉锈蚀条件的探究实验改进＊

朱红杰 秦光献

摘要：现行各种版本的九年级化学教科书上的铁钉锈蚀条件实验，需要的时间长，实验现象不够明显，不利于课堂实验教学。通过加大铁钉用量，更换实验仪器，利用控制变量法重新设计了该实验；改进后的实验现象明显，加快了实验进程，方便了课堂教学，提高了实验教学的连续性和有效性。

关键词：铁钉锈蚀；实验改进；现象明显；缩短时间

现行各种版本的《义务教育教科书•化学》中都安排了钢铁锈蚀条件实验，旨在引导学生探究钢铁锈蚀的条件，体验知识形成的过程，学习控制变量的科学方法。课本实验中仅使用一根铁钉，与空气、水的接触面很小，因而钢铁锈蚀所需的时间很长（约需7～10天），这极不方便学生观察实验现象，也使实验教学不够连贯。笔者在教学中对该实验进行了成功的改进，并取得显著的教学效果。

一、改进方案一

1.实验用品

250 mL的集气瓶，大烧杯，导气管和乳胶管等。红色的水（在自来水中滴入几滴红墨水即可），蒸馏水，食盐水，干燥剂，洁净光亮的钉鞋钉等。

2.实验装置

新设计的实验装置如图1所示。

图1

3.实验操作

（1）在3个集气瓶中分别装入大约350 g的洁净铁钉，后在甲集气瓶里放入适量的干燥剂（装在无纺布袋里），在乙集气瓶里注入适量的蒸馏水（使铁钉充分湿润），在丙集气瓶里注入适量的食盐水（使铁钉充分湿润）；在大烧杯里倒入约200 mL红色的水。

（2）分别用带有导气管的单孔橡皮塞塞紧3个集气瓶口，并把导气管的另一端同时放入盛有红色水的烧杯中（如图1所示）。

（3）2～3分钟后即可观察到，烧杯中的红色水缓慢的流入乙集气瓶中、较快的流入丙集气瓶中，而甲集气瓶中则没有水流入。

（4）5～6分钟后，手摸乙、丙集气瓶的外壁，感觉发热，而且丙集气瓶更热一些；较长时间后，甲集气瓶里仍然没有明显的实验现象。

（5）实验结束，拆开实验装置，立即用无孔橡皮塞将甲集气瓶密封；倒出乙集气瓶中的废水后，也立即将集气瓶密封；倒出丙集气瓶中残留的盐水后，用清水冲洗铁钉几次，再密封集气瓶（这样清理后，该实验装置可以连续使用）。

4.实验现象分析

（1）甲集气瓶里缺少水，铁钉没有生锈；乙集气瓶里潮湿的铁钉生锈了，并且集气瓶内出现负压；学生根据已经学习的“氮气的稳定性”知识，并结合上述实验现象可知，铁生锈需要有水参与，而且需要消耗氧气。

（2）对比乙、丙两个集气瓶内的实验现象，可以说明盐的存在会加快钢铁锈蚀的速率。

5.改进实验的优点

（1）实验现象明显，特别适合课堂演示；实验进程快，使实验一气呵成。

（2）实验装置和实验用品可以反复使用多次，方便多个班级的连续授课，提高了实验教学的效率。

二、改进方案二

1.实验用品

60 mL的注射器，18×150 mm的U形管（容积约75 mL），单孔橡皮塞，无孔橡皮塞，脱脂棉等。氧气，洁净光亮的钢丝棉，干燥剂，食盐水，蒸馏水等。

2.实验装置

新设计的实验装置如图2所示（夹持装置略）。

图2

3.实验操作

（1）在U形管最下部，放置适量的用盐水浸湿的钢丝棉；再向U形管的左、右两管内分别放置适量的脱脂棉和干燥剂；在U形管的左、右两管内分别放置适量潮湿的钢丝棉和干燥的钢丝棉。

（2）用60 mL注射器抽取60 mL氧气，然后按图2所示连好实验装置（此时无孔橡皮塞不要封闭U形管口）。

（3）推动注射器活塞，缓缓向U形管里鼓入50 mL氧气，此时U形管里空气基本上被排完（因为U形管容积约75 mL，除去“内容物”所占的体积，实际容积大约是50 mL），然后用无孔橡皮塞封闭U形管的右管口。（注意：实验中注射器活塞要处于自由移动状态，这样注射器里的氧气就能自动进入U形管，U形管里就能一直充满氧气。）

（4）不到2分钟，可以发现盐水浸湿的钢丝棉表面出现明显的红褐色锈斑；不到5分钟，可以发现潮湿的钢丝棉表面出现少许红褐色锈斑。再过2～3分钟，手摸U形管的底部，感觉很热；手摸U形管的左管，感觉微热。而干燥的钢丝棉表面一直没有明显的变化。

（5）观察注射器活塞的位置，可以发现注射器内的氧气在不断减少，直至完全耗尽。

4.实验现象分析

（1）对比潮湿的钢丝棉和干燥的钢丝棉表面出现的现象，以及氧气的消耗可知，钢铁锈蚀需要氧气和水。

（2）对比潮湿的钢丝棉和盐水浸湿的钢丝棉表面出现的现象可知，盐能加快钢铁锈蚀的速率。

（3）实验过程中U形管发热，说明钢铁锈蚀放出了热量。

5.改进实验的优点

（1）实验现象直观，对比性强，既适合教师课堂上演示，也可以作为学生实验使用。

（2）实验中钢铁锈蚀放热明显，这又为今后说明暖宝宝的化学原理打下了基础。

三、改进方案三

1.实验用品

50 mL的注射器（确保活塞润滑性良好），铁架台，小橡皮塞等。洁净光亮的钢丝棉（或还原铁粉），蒸馏水，食盐水，干燥剂等。

2.实验装置

新设计的实验装置如图3所示（夹持装置略）。如果本实验装置留做演示使用，可以提前一天放在教室内。

图3

3.实验操作

（1）取3个50 mL的注射器，确保其活塞的润滑性良好；抽掉注射器活塞，分别将一团钢丝棉（体积约为5 mL）塞入针筒中部。（注意：若采用还原铁粉进行实验，须将铁粉均匀撒布在注射器内壁上。）

（2）在甲注射器内放入少许干燥剂，随后移动活塞，使其处于45 mL刻度处（说明此时针管内的空气约为40 mL，下同），再将针头扎入小橡皮塞内以封闭注射器。最后，将注射器顶端向上固定到铁架台上。

（3）用乙注射器抽取适量的蒸馏水，使钢丝棉充分潮湿，再排出多余的蒸馏水；随后移动活塞，使其处于45 mL刻度处，再将针头扎入小橡皮塞内以封闭注射器。最后，将注射器顶端向上固定到铁架台上。

（4）用丙注射器抽取适量的食盐水，使钢丝棉充分潮湿，再排出多余的食盐水；随后移动活塞，使其处于45mL刻度处，再将针头扎入小橡皮塞内以封闭注射器。最后，将注射器顶端向上固定到铁架台上。

（5）大约4～5分钟后，发现丙注射器内的钢丝棉明显生锈，并且注射器活塞向上移动少许；乙注射器内的钢丝棉表面，出现少许红褐色锈斑；甲注射器内的钢丝棉，没有明显的变化。20分钟后再观察，发现丙注射器内的钢丝棉锈蚀严重，乙注射器内的钢丝棉表面锈斑增多，甲注射器内的钢丝棉仍然没有生锈。1小时后观察，发现丙注射器的活塞大约处于37 mL刻度处；5小时后观察，发现乙注射器的活塞也处于37 mL刻度处。而甲注射器内的钢丝棉，一直没有生锈。

4.实验现象分析

（1）甲注射器内的钢丝棉处于干燥状态，没有生锈，说明钢铁锈蚀需要水的参与。

（2）乙、丙注射器的活塞位置最终从45 mL变为37 mL，说明针筒里的气体减少了8 mL；进而可知，减少的这种气体在空气中的体积分数约是8/40，即1/5；由于空气中正好含有1/5的氧气，从而说明钢铁锈蚀还需要氧气。

（3）对比乙、丙注射器内钢丝棉锈蚀的速率可知，盐的存在能加快钢铁的锈蚀。

5.改进实验的优点

（1）实验装置简单，实验用品易得，特别适合学生自主开展实验探究活动。

（2）引入了定量思想，培养了学生的定量思维，增强了学生利用数学手段解决化学问题的能力。

（3）巧妙利用空气的组成，推出钢铁锈蚀需要氧气，这也为今后“利用钢铁锈蚀原理测量空气中氧气的体积含量”打下基础。

参考文献

［1］ 丁玲杰，李德前.对初中化学评优课的评价与思考:以徐州市初中化学评优课为例［J］.化学教与学，2015（11）:39-41.

［2］ 江军.利用数字化实验系统探究铁的吸氧腐蚀实验［J］.化学教育，2014（7）:55-58.

［3］ 李德前.铁生锈实验的改进［J］.中学化学，2001（12）:21.

作者信息

朱红杰，本科，中教一级。江苏省徐州市火花学校，221151

秦光献，本科，中教高级。河南省鹤壁市鹿鸣中学，458030

*基金项目：江苏省中小学教学研究第十期重点课题《研制教具创新机制，全面落实初中化学实验》（编号：2013JK10-Z016）。