细铁丝在氧气中燃烧的实验教学改进

陆君君

细铁丝在氧气中燃烧的实验教学改进

陆君君

（苏州市第三十中学校 江苏苏州 215008）

简述了初中化学教材中“铁丝在氧气中燃烧”实验的不足，对比了改进前和改进后的实验教学中学生学习的状况。

螺旋状;细铁丝;氧气;燃烧;实验教学

一、问题提出

上海教育出版社义务教育教科书，九年级上册《化学》，P31页“活动与探究”中第3个实验“铁丝在氧气中的燃烧”，是验证性质活泼的氧气中一个重要的学生实验。

相比较“活动与探究”中1和2两个实验，本实验存在一些实际困难，如对学生进行实验操作的熟练度、收集到氧气的纯度体积、以及铁丝伸入集气瓶的时机等方面要求颇高。综合这些因素，导致学生有时观察不到铁丝燃烧的实验现象，或者“火星四射”持续时间很短，效果很不明显。

针对这些问题，本人在一系列的对比实验后，对其进行了如下分析和相应的实验改进。

二、实验改进

1.实验仪器和用品

0.5 mm细铁丝、酒精灯、坩埚钳、集气瓶（250mL）、玻璃片、燃烧匙、火柴、无水酒精、小烧杯。

2.铁丝在氧气中的燃烧的一般流程

（1）用排水集气法集满一瓶氧气（瓶底预留部分水），水下盖好玻璃片，正放桌面备用。

（2）先将细铁丝绕成螺旋状（一般用玻璃棒将细铁丝缠绕成螺旋状），然后在末端系上火柴梗，另一端用坩埚钳夹持住铁丝。

（3）点燃酒精灯，将系上火柴梗的细铁丝在酒精灯上引燃，待“火柴梗即将燃尽时”，将它们由上而下缓慢伸入集满氧气的集气瓶中，并仔细观察现象。

3.分析和改进

【分析1】本实验，对氧气纯度和氧气的体积要求较高。学生在实验过程中，收集的氧气纯度和体积常因操作不当而受到影响。原因有三。

原因一：引燃火柴梗后，铁丝过早伸入，火柴燃烧消耗过多氧气。

原因二：实验室用于收集氧气的集气瓶规格一般为125mL；本实验中瓶底还需要铺沙或水，又会占据一部分体积，从这个数据来看，真正应用于铁丝燃烧的氧气体积偏少。

（学生实验中，试管的规格一般为20mm×200mm的平口试管，这种规格决定了加入的高锰酸钾的质量一般不大于12g，约占试管体积的1/3，换算成标准状况下氧气的体积约为850mL。按照这个数据，兼顾考虑到制取和收集过程中损耗的氧气，实验员提供学生实验的集气瓶规格以125mL为主，也有用更小的60mL集气瓶，一次制取过程最多能收集到2-3瓶氧气。）

原因三：学生有时会用收集的第一瓶氧气用于铁丝燃烧实验，而第一瓶氧气中常因含较多装置中的空气而影响了纯度。

（根据苏州市第十六中学的张铸钢老师在一师一优课平台分享的“2.1氧气的制备和收集”一课中，用数字传感器测得的研究数据表明：试管的规格一般为20mm×200mm的平口试管中放入约10g高锰酸钾，待水槽中玻璃弯管口产生“连续气泡，均匀冒出”现象约20秒之后，氧气的纯度才刚刚从21%左右开始上升，60秒后到达80%以上。）

【改进1】集气瓶改用250mL；或用排水集气法收集的第二瓶氧气（体积至少125mL），且尽快进行铁丝燃烧实验。

图1 三种不同规格的集气瓶对比

【分析 2】铁丝绕成螺旋状，主要是为了增大铁丝的受热面积，提高局部温度。本人经过不断的对比实验，发现铁丝的螺旋半径越小，燃烧现象越容易发生，铁丝的末端也更容易熔成球状（比半径大的螺旋熔成的球状明显大）。

【改进 2】用燃烧匙的柄端缠绕，得到半径更小的铁丝螺旋。

图2 用玻璃棒和燃烧匙柄端分别缠绕而成的螺旋状铁丝并系上火柴梗

图3 燃烧匙柄端缠绕的螺旋状铁丝燃烧后末端熔成小球

【分析3】火柴是影响本实验的一个不稳定的因素，原因有二。

原因一：把握“火柴即将燃尽”的时机较难，常出现铁丝进入集气瓶前，火柴已经熄灭的现象。

原因二：引燃铁丝后，火柴燃烧后的黑色固体常因反应剧烈，而掉落集气瓶底，影响了学生对铁丝燃烧后产生的黑色生成物的判断。

【改进3】用无水酒精取代火柴梗引燃铁丝。

图4 是铁丝浸润无水酒精

图5 引燃后发生燃烧的现象

4.铁丝在氧气中的燃烧——改进后实验的流程

（1）排水法收集125mL或250mL氧气（瓶底预留少量水）。

（2）先将铁丝在燃烧匙柄端绕成螺旋状之后，将铁丝螺旋状的一端少许浸没在事先准备好的小烧杯中的无水酒精内。（浸没部分不易超过螺旋状长度的1/2，避免因酒精燃烧消耗过多氧气。）

（3）点燃酒精灯，将浸过酒精的细铁丝在酒精灯上直接引燃，同时微微移开玻璃片，立刻由上而下慢慢伸入集气瓶中，铁丝剧烈燃烧，火星四射，放出热量，生成黑色固体物质。

5.对铁丝燃烧改进实验后的再反思

本人在铁丝燃烧实验改进后，利用本校教研活动的机会，组织组内三位化学教师进行改进实验的实践尝试，并帮助分析实验改进中存在的问题和再次改进的可能性。经过分析和总结，关于铁丝燃烧的改进，我们得出如下的结论：

（1）对于学生实验来说，氧气的纯度和体积必须有保证，这是首要因素。

（2）系火柴梗和浸润无水酒精都是引燃铁丝的方式，作用是维持铁丝的温度不低于着火点。最大的区别在于无水酒精引燃铁丝后不会影响学生对黑色产物的判断。

（3）螺旋状的半径大小对铁丝燃烧发生的难易程度有一定影响，对铁丝最终熔成小球的体积影响很大。

三、实验改进后的教学实践

根据改进后的实验，采用对比实验的原则：本人以苏州市第三十中学校2016届随机三个班级的初三学生共计126人（理论上2人一组，极个别1人，或3人一组）进行分组验证性实验。

1.实验教学情况数据对比

实验分别以氧气125mL和250mL，火柴梗式引燃铁丝和无水酒精式引燃铁丝两个变量为切入点进行对比实验。实验教学中的原始数据如下：

表1 火柴梗式引燃铁丝、125mL氧气组对照表

②“现象明显”是指火星四射基本能射到集气瓶内壁上，且持续时间较长，铁丝螺旋状一端能熔成红热的球状，或者在瓶底能发现小球状黑色生成物；

③“现象不明显”是指火星四射的范围比较窄，持续时间不长，铁丝熔成小球不十分明显，或者在瓶底未能发现小球状黑色生成物；

④“无现象”指基本观察不到铁丝燃烧的现象（下同）。

表2 无水酒精式引燃铁丝、125mL氧气组对照表

表3 火柴梗式引燃铁丝、250mL氧气组对照表

2.实验前的准备工作和必要说明

①为了避免因实验操作的不熟悉，以及对实验流程的陌生等主观因素，3个班126名学生已经在各自的化学老师指导下，进行过一次火柴梗式引燃铁丝燃烧的实验操作，因此本次改进实验的对象已经掌握了一定的实验技能。这样做的理由是尽可能平衡因实验对象操作流程熟练度的较大差异性，减小实验失败的偶发性，着重于通过比较，得出改进后无水酒精式引燃铁丝的优点。

表4 无水酒精式引燃铁丝、250mL氧气组

②为了激励学生勇于挑战和创新，提高学生的团队竞争意识和实验兴趣，本人在同一班级内和不同班级间设置奖励机制，奖项内容主要为“最快实验现象”、“最佳实验现象”和“最安全清洁实验小组”。在强调又快又好的同时，不忘实验安全，保护环境的目的。

③每个班级先进行火柴梗式引燃铁丝的实验，后进行无水酒精引燃铁丝的实验。

3.实验中出现的偶发性问题和针对性的教学反思

①在2人小组合作的实验模式下，无水酒精式引燃铁丝小组普遍用时要略少于火柴梗式引燃铁丝小组。因无水酒精式引燃铁丝实验过程中省略了“系火柴梗”等实验步骤，节约了操作时间。

表5 分组对比实验数据分析

②从表5的实验数据的分析中可以看出，总体而言，无水酒精组数据明显要优于火柴组，尤其是125mL氧气分组实验中，无水酒精组的整体优势体现十分明显；然而250mL氧气分组实验时，结果差异性不大：原因可能是因为氧气的体积相对较多，使得氧气的一些损耗几乎可以忽略不计。

③用无水酒精引燃铁丝的小组同学出现了几组集气瓶瓶身炸裂的情况，而相反用火柴引燃铁丝的小组该情况很少出现，即使有个别组，也是瓶底炸裂。经分析后发现这种情况主要是因为坩埚钳夹持铁丝太短，造成铁丝引燃后伸入集气瓶时，铁丝一端的燃烧点不慎碰到集气瓶瓶口处内壁，导致集气瓶瓶身炸裂。而用火柴梗引燃时，由于铁丝螺旋状末端绑有火柴，火柴在瓶中燃尽时若碰到集气瓶内壁，其温度也不高，火柴把集气瓶内壁和铁丝燃烧点隔离开来，起到了变相的保护集气瓶的作用。

⑤由于本实验改进和创新了课本实验，又设置了竞争的意识，使得学生有极大的满足和成就感；实验达到了“打破常规”，鼓励学生自我创新，勇于挑战“真理”的目的。

⑥虽然实验中存在个别小组因客观因素（非正常智力）未能完成本实验，但整个实验过程中体现了团队协作的理念，“实践出真知”的信念必将留在学生的心中。

4.关于改进后的“放大实验”的构思

在本文中提到的“对铁丝燃烧改进实验后的再反思”中阐述了氧气的纯度和体积是本实验成功的首要因素，而无水酒精引燃铁丝对判断产物不会产生影响，螺旋状半径大小不起决定因素，建立在这些基础上，本人决定将本实验放大。具体实验步骤如下：

（1）实验用品

18L的纯净水桶、厚塑料袋（最好医疗仪器回收袋）、50L医疗氧气包（充工业氧99%）、酒精灯、坩埚钳、无水酒精、0.5细铁丝。

图6 纯净水桶

图7 塑料袋

图8 氧气袋

（2）实验流程

① 纯净水桶内装满水，倒置在水池中，把氧气包内的工业氧用排水法收集在纯净水桶内，待快收集满时（水下降到接近纯净水桶颈部），留少部分水，移走导管，用塑料袋在水下封住纯净水桶口部，形成液封（使得氧气不易外逸），并用绳子扎紧口部，保持纯净水桶倒置状态取出。

②用玻璃棒将细铁丝绕成螺旋状若干组，并相互缠绕成“钢丝球状”，浸没无水酒精。

③将纯净水桶倒过来正放平地上，调整塑料袋使得水进入桶中，塑料袋不必解开，保持纯净水桶口的塑料袋平整。用坩埚钳夹持“铁丝球”在酒精灯上引燃后，立即迅速移至纯净水桶口部，烫开塑料袋后伸入纯净水桶中，观察现象：如节日烟花般火星四射，十分美丽，铁丝一端形成多个小球。

（3）实验目的和反思

实验室实验向工业化生产转化的一个重要的问题在于，化学原理在放大具象化过程中存在哪些需要解决的问题。一根螺旋状铁丝的燃烧和许多螺旋状铁丝的燃烧需要的氧气量有什么不同，如何来获得这么多氧气，如何收集这些氧气，实验过程出现的偶发性问题该如何解决，如“用塑料袋和水来液封的方式来保存氧气”等就是十分有创意的想法。

这个改进性的实验可以激发学生的创造性思考的激情，很有实践的意义。

［1］ 李奇.铁丝在氧气中燃烧实验的讨论与改进［J］.新课程导学,2012（7）：22

［2］ 谭祥中，涂红梅.铁丝在氧气中燃烧实验的改进［J］.化学教学，2008（12）：14

1008-0546（2017）10-0094-04

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.033