用铁丝绒做“Fe与CuSO4溶液反应”的实验

李德前 魏海 张羿

摘要： 对铁丝绒与CuSO4溶液反应做了实验探究。实验发现： 将比表面积很大的铁丝绒缠绕在弯曲的粗钢丝（或粗铜丝）上然后插入CuSO4溶液中，可显著提高反应的速率，在反应开始后的短时间内就能观察到溶液中有“铜树”形成，而且反应后的溶液也呈现明显的浅绿色。该实验有利于学生准确获取“Fe与CuSO4溶液反应”的实验现象，激发学生学习化学的兴趣，提高实验教学的质量，丰富中学化学实验教学资源。

关键词： 比表面积; 铁丝绒; 铁与硫酸铜溶液反应; 铜树

文章编号： 1005-6629（2018）11-0078-03中图分类号： G633.8文献标识码： B

在现行各种版本的义务教育化学教科书中，都安排了金属铁与铜盐溶液（主要使用CuSO4、 CuCl2溶液）反应的实验，旨在引导学生认识铁的化学性质，了解金属活动性强弱的比较方法。

教科书上设计的铁与铜盐溶液反应的演示实验，选用的是普通铁钉（或与铁钉粗细差不多的普通铁丝），通常能观察到铁钉（或铁丝）表面淡淡地覆盖了一层红色固体，固体产物很难形成理想的“铜树”形状;生成的亚铁盐（FeSO4或FeCl2）由于量少且易被氧化，致使实验过程中很难观察到反应后的溶液呈现“浅绿色”，造成学生对亚铁盐溶液的颜色缺乏感性认识。可见，原实验方案不仅给实验教学带来困难，也容易引起学生对该实验的一些误解。

基于“逆向思维”[1]的视角，我们对该实验进行了优化： 将反应物铁丝“由粗变细”，通过改用超细铁丝（如铁丝绒、钢丝棉等）设计“Fe与CuSO4溶液反应”的实验[2]。下面详细介绍新设计的两个实验方案。

1 改进方案Ⅰ

1.1 实验用品

铁丝绒（网购），4%的CuSO4溶液;20mm×200mm的试管（含配套的橡皮塞），直径约0.5cm、长约25cm的粗钢丝（或粗铜丝），锉刀，剪刀等

1.2 实验装置

改进后的实验装置见图1。

1.3 实验步骤

（1） 找一根粗细约0.5cm、长约25cm的粗钢丝（或粗铜丝），将其弯曲成不规则的螺旋状，并用锉刀将粗钢丝表面打毛，使其表面凹凸不平（以防下一步缠绕的铁丝绒滑落下来）。

（2） 剪取大小合适的一块铁丝绒，将其整理为宽约3cm、长约25cm的长条状，然后将铁丝绒按顺时针方向缠绕在弯曲的粗钢丝上，注意使缠绕上去的铁丝绒松紧适度、外形不规则（可以是树状或树根状）、长度不超过13cm、粗细不超过2cm（见图1）。

（3） 向20mm×200mm的试管中缓慢注入溶质质量分数为4%的硫酸铜溶液，溶液的体积不要超过试管容积的4/5。

（4） 左手拿试管，右手拿粗钢丝的最上端，将铁丝绒缓缓插入CuSO4溶液中，铁丝绒表面立即就会附着一层红色固体（说明铁置换出了CuSO4溶液中的铜）。接下来，缓慢地上下移动粗钢丝5～7次，使铁与CuSO4溶液充分反应，其间铁丝绒表面附着的红色固体会越来越厚，溶液的蓝色越来越浅（说明CuSO4不断减少），手摸试管外壁还能感觉到明显发热（说明反应放热）。

（5） 粗钢丝停止上下运动后再静置2～3分钟，然后将粗钢丝从试管中取出，立即将橡皮塞塞紧试管口（尽量阻止FeSO4被氧化）。

（6） 引导学生观察粗钢丝上的铁丝绒，其外形既像“铜树”，又像金色的“根雕”。观察试管里的溶液颜色，已由原先的蓝色变为明显的浅绿色（说明铁置换出铜的同时生成了FeSO4）。

（7） 实验结束，整理实验用品，指导学生完成实验报告。

2 改进方案Ⅱ

2.1 实验用品

铁丝绒（网购），6%的硫酸铜溶液;18mm×180mm的U形管（含配套的橡皮塞），直径约0.5cm、长约16cm的粗钢丝（或粗铜丝），锉刀，剪刀等

2.2 实验装置

改进后的实验装置见图2（夹持装置略）。

2.3 实验步骤

（1） 取一根直径约0.5cm、长约16cm的粗钢丝（或粗铜丝），将粗钢丝绕成不规则的螺旋状，并用锉刀将粗钢丝表面处理得有些凹凸不平，然后把粗钢丝的顶端牢牢插入橡皮塞中。

（2） 剪一块大小合适的铁丝绒，将铁丝绒整理为宽约2cm、长约25cm的长条状，然后将长条状铁丝绒按顺时针方向缠绕在弯曲的粗钢丝上，注意使缠绕上去的铁丝绒松紧适度、外形不规则（可以是树状或树根状）、长度不超过13cm、粗细不超过1.8cm（见图2）。

（3） 向18mm×180mm的U形管中缓慢注入溶质质量分數为6%的CuSO4溶液，注意使液面距管口有2～3cm的距离。

（4） 左手拿在U形管左管的中部，右手持橡皮塞，将铁丝绒缓缓插入右管的CuSO4溶液中，铁丝绒表面立即覆盖上一层红色固体（说明铁置换出了铜），同时将橡皮塞紧紧塞到右管的管口上，然后将U形管固定并静置。

（5） 1～2分钟后可以发现，铁丝绒表面的红色固体不断加厚，铁丝绒周围的溶液颜色明显变浅（说明CuSO4不断减少），手摸U形管右管的外壁感觉发热（说明反应放热）。

（6） 3～5分钟后观察，U形管里溶液的蓝色按照“右管→U形管底部→左管”的方向逐渐变浅，即离铁丝绒越近的溶液其蓝色越浅，并呈现浅绿色（说明铁置换出铜的同时还生成FeSO4），离铁丝绒越远的溶液其蓝色越深（说明反应过程中溶液里的Cu2+在不断地向铁丝绒附近运动）;并且U形管两边出现液面差——右管里的液面略低于左管里的液面（进一步说明反应放热）。

（7） 1～2小时后观察，U形管左、右管里的液面差已经消失（说明反应放出的热量已完全散失到空气中），U形管左、右管里的溶液颜色的差别也越来越小（说明反应逐步趋于平衡状态）。

（8） 大约6～7小时后反应终止（反应结束的时间与气温、溶液浓度、铁丝的粗细和质量等都有关系），最终的实验现象是： 铁丝绒表面覆盖一层浓密的红色物质，其造型像是“铜树”，又像是“黄金根雕”，U形管底部有少量脱落下来的红色物质;左管的液面处有少许液体呈黄绿色[说明接触到空气的FeSO4被氧化为Fe2（SO4）3]，U形管内其余溶液均为浅绿色。

（9） 实验结束，整理实验用品，指导学生完成实验报告。

3 结束语

在上述两个改进实验中，铁丝绒一定要取过量，保证CuSO4溶液完全反应、反应后的溶液呈现浅绿色，又使生成的超细铜粉能够附着在细铁丝表面而不脱落。CuSO4溶液的溶质质量分数以4%～6%为宜，若浓度过大反应过程中可能会产

生氢气，若浓度过小则铁丝表面附着的铜粉可能会呈现黑色[3]。另外，观察反应后溶液的颜色时，可以用白纸或白色的墙壁做背景衬托。

总之，本改进实验利用铁丝绒的比表面积大的特点，增进了Fe与CuSO4溶液的接触，使反应在短时间内就出现了预设的标准实验现象，这一事实有利于学生直观地认识到影响化学反应速率的因素，并培养学生的学科观念。由于铁丝绒柔软且有韧性，因此很容易将其塑造成各种形状（如树形、根雕形、矿石形等），从而使固体产物的形状别致有趣，激发了学生学习化学的好奇心和创新思维。本改进实验所需要的实验用品大多是常规的药品和仪器，铁丝绒虽不常见，但网购方便且价格低廉（每百克不足3元）。它既可作为演示实验，也能作为学生的分组实验或用于课外探究活动，从而为化学实验教学积累优质的课程资源。

参考文献：

[1]李德前.例谈初中化学实验创新的思维方法[J].化学教学， 2013，（3）： 65～68.

[2]周良，魏海，王会，李德前.以超细钢丝棉替代铁改进两个化学实验[J].化学教学， 2018，（6）： 76～79.

[3]姜跟华.对铁与硫酸铜溶液反应的实验探究[J].化学教与学， 2013，（3）： 93～94.