铁及其化合物综合实验探究活动设计

李妍 王秋 杨梅

摘要：基于铁及其氧化物性质、氢氧化铁胶体制备、三氯化铁水解、乙醇催化氧化反应、铁离子亚铁离子检验、苯酚显色反应、炭的还原性、活性炭的吸附性等相关知识，设计了“粉笔实验”与“滤纸实验”系列实验探究活动，旨在培养学生的综合运用知识与实验探究能力。

关键词：铁及其化合物；粉笔实验；滤纸实验；综合实验探究；活动设计

文章编号：1005–6629（2016）8–0047–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 设计背景

铁在地壳中含量仅次于氧、硅和铝，铁及其化合物是元素化学的重要内容，在高中化学1、选修4、选修5及选修6等模块都有涉及。鉴于铁及其化合物相关知识在高中化学课程中的综合性与学习价值，可以在高二下学期进行铁及其化合物综合实验探究活动，促进学生巩固所学知识，进一步强化学生实验操作技能，全面培养学生的科学探究能力。

2 “粉笔实验”探究

氯化铁是挥发性酸所对应的弱碱离子盐，其水溶液加热蒸发可制得氢氧化物，灼烧后得到氧化物。常规实验过程操作较复杂，用时较长，产物中有氯化氢会污染环境。在实际教学中不易进行学生分组实验，也不易锻炼学生关于氯化铁水解等方面的实验探究能力。为此有文章对实验进行如下改进[1]。

[实验步骤]用镊子夹取粉笔，蘸取足量氯化铁溶液，在酒精灯上加热3～5min，观察粉笔表面颜色的变化。

[实验现象]可以观察到粉笔颜色变化：黄色→红褐色→铁锈红色→黑色。

[问题]氯化铁加热水解变为氢氧化铁，灼烧后变为氧化铁，再继续灼烧有黑色物质生成。猜想黑色物质是如何生成的？

[学生猜想]猜想一：酒精不完全燃烧的产物；猜想二：酒精与粉笔反应的产物；猜想三：酒精还原氧化铁的产物。

[实验探究]（1）用镊子夹取一支粉笔直接在酒精灯上加热，观察其颜色变化。颜色没有变黑，猜想一错误。（2）粉笔的主要成分为硫酸钙，根据其物理性质，不溶于乙醇等多数有机溶剂，也不与乙醇发生化学反应，猜想二错误。（3）猜想三类似于教材中乙醇还原氧化铜的演示实验。

在教材实验及上述实验的基础上，对实验进行改进：利用粉笔的强吸附性，加热后能产生较为均匀的酒精蒸气，用浸润了酒精的粉笔代替酒精蒸气的发生装置，简单安全。将浸有酒精的粉笔和氧化铁放置于硬质玻璃管中，加热氧化铁。实验装置如图1所示，观察实验现象。有黑色物质产生，证明黑色物质是酒精还原氧化铁的产物。

[问题]黑色物质的成分是什么？

[学生猜想]猜想一：铁单质；猜想二：氧化亚铁；猜想三：四氧化三铁。

[实验探究]（1）取适量黑色物质于滤纸上，将磁铁放在滤纸下左右移动，观察实验现象。（2）将适量的黑色物质溶于足量的稀盐酸，观察实验现象。

[分析现象]实验1：观察到黑色物质随磁铁移动，可知黑色物质具有磁性，说明黑色物质不是氧化亚铁。实验2：无气泡产生，说明无单质铁。

[实验探究]验证黑色物质是否为四氧化三铁。由四氧化三铁的组成可知，四氧化三铁中既有二价铁又有三价铁，启发学生设计实验方案，进行验证。对学生设计的实验方案进行补充、扩展。

（1）验证其中含有二价铁的方法：取适量黑色物质于试管中，方法1，加入适量稀硝酸，有无色气体生成，到管口时变红棕色。方法2，加入适量酸性高锰酸钾溶液，溶液褪色。教师还可补充拓展，介绍方法3，取适量黑色物质于试管中，加入适量稀盐酸，再加入适量赤血盐{K3[Fe（CN）6]}溶液，有蓝色沉淀生成{反应原理：3Fe2++2[Fe（CN）6]3-=Fe3[Fe（CN）6]2，产物俗称腾氏蓝，为蓝色沉淀}。

（2）验证其中含有三价铁的方法：取适量黑色物质于试管中，加入适量稀盐酸，再用方法1，加入适量硫氰化钾溶液，溶液变成血红色。或用方法2，加入适量苯酚溶液，溶液变成紫色。教师还可补充拓展，介绍方法3，加入适量黄血盐{K4[Fe（CN）6]}溶液，有蓝色沉淀生成{反应原理：4Fe3++3[Fe（CN）6]4-=Fe4[Fe（CN）6]3，产物俗称普鲁士蓝，为蓝色沉淀}。

[问题]考虑到溶液中可能会含有其他具有还原性的离子，会干扰溶液中亚铁离子的检验。如何设计实验方案才能更严密呢？（教师提示，利用活性炭的特性：可以吸附生成物硫氰化铁，不能吸附溶液中的亚铁离子）

[实验设计]学生根据提示，查阅相关资料，经小组讨论后设计出实验方法：在盛有黑色物质的试管中，加入适量稀盐酸，再加入适量硫氰化钾溶液，溶液变为血红色，证明溶液中含有三价铁离子。然后向试管中加入活性炭至溶液变为无色，接着向试管中加入适量硫氰化钾溶液，溶液不变色。接着向试管中加入适量双氧水溶液，再加入适量硫氰化钾溶液，溶液变为血红色，证明溶液中有亚铁离子[2]。

[小结]“粉笔实验”实验操作简单新颖，实验现象清晰明显。其中酒精还原氧化铁的实验设计，是教材中乙醇还原氧化铜实验的改进与拓展，实验设计源于教材而高于教材。实验活动中的问题生成有很强的逻辑性与挑战性，有利于培养学生严谨的思维能力与创新意识。

3 “滤纸实验”探究

[背景资料]滤纸主要成分是纤维素，在受热时会脱水产生具有还原性的炭。在滤纸上还原Fe3+，实验方法简单方便，现象明显，新颖有趣。关于此实验的产物存在不同看法[3～5]，很有探究意义。

[实验过程]首先用酒精灯点燃一张普通滤纸，可以看到普通滤纸迅速燃烧起来。然后拿出两张事先蘸有氯化铁溶液的滤纸，用酒精灯点燃其中一张滤纸，可以看到蘸有氯化铁溶液的滤纸不像普通滤纸那样迅速燃烧，而是很快变黑，同时伴随着红热现象。取另一张滤纸，将其折成纸条，同样地在酒精灯上点燃，可以看到折成纸条的滤纸同样变黑，但是红热现象并不明显。反应结束后，产生了黑褐色产物[6]。有研究推测，这种产物中含有金属铁，并且从铁具有磁性、导电性、在氧气中可以燃烧这三个方面进行实验验证。黑褐色产物随磁铁的移动而移动，能被磁铁吸引，说明其具有磁性；用自制验电器的导线两端连在产物的两侧，验电器指示灯变亮，扬声器发声；取少量产物放在集满纯氧的集气瓶中，看到火星四射的现象。根据以上三个实验证明产物是金属铁。

[提出问题]我们知道有磁性的物质不一定是铁单质，还有可能是四氧化三铁。黑色物质可以导电，但一定是金属导电吗？有没有可能是点燃滤纸后生成的炭导电呢？黑色物质在氧气中燃烧产生明亮的光，这个现象会不会是炭在氧气中燃烧的现象呢？生成的产物是铁单质这个实验结论是否合理？基于以上问题，学生设计实验方案并进行探究。

[分析讨论]其实，“粉笔实验”与此实验的反应过程是一致的。其反应过程都是由氯化铁加热水解生成氢氧化铁，再加热生成氧化铁，然后用酒精或炭还原氧化铁得到一种物质。完全可以用“粉笔实验”中产物成分的探究方法，来说明“滤纸实验”中的产物不是铁单质，其主要成分是四氧化三铁。

[小结]“滤纸实验”简单有趣，探究问题源于对已有研究的质疑，鼓励学生自己设计实验方案证实质疑，巧妙运用先前的“粉笔实验”的探究方法与学习成果。教师对验证方法的拓展，开阔了学生视野，培养了理性思维意识。

4 教学反思

铁及其化合物的实验探究活动，综合运用了铁及其氧化物性质、氢氧化铁胶体制备、三氯化铁水解、乙醇氧化反应、苯酚显色、炭的还原性以及活性炭的吸附性等相关知识。铁及其化合物的综合实验探究活动既能很好地考察和训练学生综合运用知识的能力，使学生经历提出问题、分析问题、进行猜想、设计实验方案、实施实验、最终得出结论的整个学习过程，又能使学生通过实验探究的学习方法，切实感受到利用实验来解决化学问题的重要意义。对实验中的一些方法进行适当补充与拓展，又进一步丰富了学生知识，开阔了学生视野。

参考文献：

[1]薛桂凤.创新氯化铁水解实验及由该实验引发的实验探究[J].中学化学教学参考，2012，（5）：53～53.

[2]夏立先.对含三价铁离子溶液中亚铁离子的检验[J].中学化学，2014，（2）：22～22.

[3][6]李平，杨菲.“点纸成金”在滤纸上还原Fe3+离子的实验设计[J].中学化学教学参考，2010，（5）：46～46.

[4]潘伟，盛超.关于“在淲纸上还原Fe3+的实验设计”再认识[J].中学化学教学参考，2010，（11）：61～61.

[5][9]朱明建，项喆源，龙环胜等.在滤纸上还原Fe3+离子实验的再探究[J].化学教学，2013，（12）：70～71.

[7]河北师范大学等.无机化学（上册）（3版）[M].北京：高等教育出版社，2005：325～331.

[8]庄晓松.碳还原氧化铁的最佳实验条件探究[J].教学仪器与实验，2011，（12）：20～21.