“尿不湿”材料用于“铁与水蒸气反应”实验最佳条件的探究

江西师范大学化学化工学院(330022) 聂伟春 李永红

1 问题的提出

铁与水蒸气的反应是人教版高中教材中的一个重要实验。它对培养学生的实验操作能力、观察记录能力、分析实验能力、解决问题的能力有着积极的意义。

但在实验操作过程中遇到诸多问题，其中最主要的问题是实验过程中试管容易炸裂；其次是不能直接加热棉花、水蒸气产生的速度慢、棉花易碳化以及实验结束后试管难清洗等问题。针对这些问题，很多学者、一线教师开展了很多研究，大致分为以下几类：①对加热方式的改进；②对铁的形态的改进；③对实验装置的改进；④对供水剂的改进。其中研究最多的是对供水剂的改进，如用水氢氧化镁、氢氧化钙、五水硫酸铜晶体、SAP材料、水晶泥、硅酸铝棉、石棉绒、粉笔、粗孔硅胶等代替人教版高中教材中的棉花作为供水剂。其中孙丹和熊晓丹以“尿不湿”中的SAP材料作为供水剂的改进实验引起了笔者极大的兴趣。

SAP材料是一种高吸水性树脂，主要成分为聚丙烯酸钠，具有强亲水性基团(—COONa)的低交联的三维空间网络结构，吸水和蓄水量非常大。通常情况下，SAP材料能吸收的纯净水是自身重量的1 000倍，所以SAP材料被广泛用于制造婴儿“尿不湿”。只要温度达到200 ℃以上，SAP材料中的水分子就会因其热运动摆脱网络的束缚而挥发出来，并且SAP材料廉价易得。所以,将SAP材料作为“铁与水蒸气反应”的供水剂是合理的。

孙丹和熊晓丹还指出：实验过程中应控制铁粉与SAP材料的距离为6 cm左右；SAP材料与加入水的质量比应在1∶20～1∶15的范围内较好。由于两位学者只是给出了一个范围，为了达到最好的实验教学效果，笔者利用优选法和正交实验法探究“铁与水蒸气反应”的最佳实验条件。

2 实验原理与方法

2.1 实验原理

常温下铁不与水反应，但在加热高温的条件下可与水蒸气发生反应，反应采用“尿不湿”中的SAP材料作为供水剂。

反应生成氢气，氢气不溶于水，密度比空气小，故可用向下排空气法和排水法来收集。但为了便于观察是否收集满1试管氢气，本实验用排水法来收集氢气；氢气极易燃烧，故可用点燃氢气的方式检验氢气，将燃着的木条放在集满氢气的试管口，若听到“噗”的一声即为氢气。

2.2 实验方法

本实验采取的是优选法和正交实验法进行实验探究。

优选法即依据“黄金分割比”来确定实验点(在0.618和0.382的比例位置上)，用逼近的方法寻找最佳实验条件的一种设计方法。本实验运用优选法初探铁粉质量这一影响因素的最佳的3个水平。

正交实验法即利用排列整齐的正交表来对试验进行整体设计、综合比较、统计分析，实现通过少数实验次数找到较好实验条件，以达到最佳实验效果的一种方法。本实验采用正交实验法旨在探究出“铁与水蒸气反应”的最佳实验条件。

3 实验设计

3.1 实验指标的确定

检验本实验效果的方法主要有3种:①用肥皂水收集氢气，通过观察氢气泡产生的速度；②用肥皂水收集氢气，通过点燃氢气泡，判断爆鸣声产生的时间或者响亮程度；③用排水法收集氢气，通过判断从实验开始到收集满1试管氢气所用时间。

笔者以用肥皂水收集氢气，通过点燃氢气泡，记录爆鸣声产生所用的时间作为实验指标，但在实验过程中发现该方法难以准确判断第一个氢气泡出现的时间，有很大的主观因素。所以,最终确定以用排水法从开始收集到收集满1小试管氢气所需的时间作为实验指标，所需时间越短即产生氢气的速率越快，实验效果越好。

3.2 因素、水平的确定

“铁与水蒸气反应”实验的影响因素有许多，如：供水剂、供水剂与水的质量比、供水剂的加热方式、铁的形态、铁的质量、铁的加热方式、铁与供水剂的距离等。笔者以供水剂、供水剂的加热方式、铁的形态、铁的加热方式为控制变量；以铁的质量、供水剂与水的质量比、铁与供水剂的距离为自变量进行研究，探究出这3个自变量最有利于该反应进行的水平组合。

3.2.1 因素的确定

根据文献研究，笔者选取“尿不湿”中提取的SAP材料为供水剂，供水剂和铁的加热方式均为酒精灯加热，铁为AR分析纯的还原铁粉。则本实验的因素为：铁粉质量；SAP材料与水的质量比；SAP材料与铁粉的距离。

3.2.2 水平的确定

(1)铁粉质量因素水平的确定

从节约药品和便于称量考虑，控制SAP材料与水的质量比为1∶18(在1∶20～1∶15范围内取)，即SAP材料质量为0.1 g、水的体积为1.8 mL，SAP材料与铁粉的距离为6 cm，铁粉质量分别为0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g、0.6 g、0.7 g、0.8 g、0.9 g、1 g，用优选法确定铁粉质量的3个水平。具体实验及数据见表1。

(2)SAP材料与水的质量比因素水平的确定

孙丹和熊晓丹建议SAP材料与水的质量比应在1∶20～1∶15的范围内，她们给出的理由是当质量比大于1∶15时，在实验过程中SAP材料会出现轻度碳化，说明加水较少；小于1∶20时，在实验过程中试管口的SAP材料与热铁粉间有冷凝水存在，说明加水太多。为了验证在实验过程中是否会出现这种情况以及便于称量，故确定该因素的3个水平为1∶12、1∶18、1∶24。因为SAP材料吸水性非常强，出于节约药品的考虑，故用0.1 g SAP材料吸水。

(3)SAP材料与铁粉的距离因素水平的确定

该实验所用的试管长20 cm，除去搭建装置的长度，SAP材料与铁粉的距离这一因素可取的水平有4 cm、6 cm、8 cm、10 cm。但是通过实验发现当湿润的SAP材料与铁粉之间的距离为10 cm时，由于距离太远，水蒸气还没到达铁粉位置就已冷凝，导致试管炸裂，故确定该因素的3个水平为4 cm、6 cm、8 cm。

根据前面的探索，得出实验的因素及水平，见表2。

表2 “铁与水蒸气反应”正交实验因素、水平表

3.2.3 实施方案

根据表2，选择正交表:L9(34)，具体实验方案见表3。

表3 “铁与水蒸气反应”正交实验方案表

3.2.4 实验过程

3.2.4.1 实验仪器及试剂

仪器：酒精灯2个、铁丝网罩1个、小木块1个、铁架台1个、铁夹1个、带单孔塞的试管(920 mm×200 mm)1个、玻璃导管2截、橡胶管1根、水槽、小试管(10 mm×75 mm)1个、10 mL量筒1个、火柴2盒、电子天平1台、胶头滴管1个、直尺1根、纸槽2个、滤纸若干、秒表1个。

试剂：SAP材料(取自安儿乐“尿不湿”)、还原铁粉(AR分析纯)、蒸馏水。

3.2.4.2 实验装置

实验装置见图1。

3.2.4.3 实验步骤

(1)将“尿不湿”表面棉撕开,取中间夹层中的小颗粒即SAP材料;

(2)按实验装置图所示组装实验仪器，并检查装置的气密性；

(3)用电子天平分别称出0.1 g SAP材料和所需铁粉量，并将称好的SAP材料用纸槽放入大试管底部；

(4)计算出对应实验号所需水量，用量筒量取所需水量，用胶头滴管滴入放有SAP材料的大试管中，用玻璃棒搅拌至SAP材料固定在大试管底部即倾斜大试管无凝胶流下；

(5)将大试管固定在铁架台上(注意：试管口要略微朝下)，用直尺量出对应实验号铁粉与SAP材料之间的距离并将铁粉用纸槽放入该距离点；

(6)塞紧大试管塞，连接导气管并将导气管尾端放入装满水的水槽中；

(7)用酒精预热大试管，将该酒精灯放至距离点铁粉位置加热铁粉，待铁粉稍变红热后点燃另一酒精灯放至大试管底部加热湿润的SAP材料；

(8)待导管口有均匀气泡冒出时，用小试管收集氢气并开始计时，直到小试管口有气泡冒出即为集满1小试管氢气，停止计时，记录所用时间；

(9)点燃小试管中的气体，听到“噗”的一声即为氢气；

(10)将导气管从水中取出后停止加热，待大试管冷却至室温后从铁架台上取下，实验结束。

改变数据，重复上述实验操作。

3.2.5 实验数据与处理

为了排除偶然因素的干扰，共进行了3次平行实验。用排水法集满1小试管氢气所需时间的数据为平行实验数据的平均值。实验数据与处理见表4。

表4 “铁与水蒸气反应”正交实验数据分析表

由表4可知：该反应的最佳实验条件在本次实验安排中并未出现，故进行验证性实验。验证实验数据见表5。

表5 “铁与水蒸气反应”最佳实验条件验证实验数据表

由数据可知：A1B3C2即当铁粉质量为0.3 g、SAP材料与水的质量比为1∶24、铁粉与SAP材料之间的距离为6 cm时，集满1小试管氢气所需时间为30.78 s，产生氢气的速率最快，为最佳实验条件。

4 实验结论

由表4数据分析可得出以下结论：

(1)由R值大小得出影响实验指标的主次因素依次为:C>B>A，即最主要的影响因素为SAP材料与铁粉的距离，SAP材料与水的质量比次之，铁粉质量对本实验的影响最小。

由实验数据可知：当SAP材料与铁粉的距离6 cm时，集满1小试管氢气所需时间最短，当距离增大或减小，所需时间增长。并且距离为8 cm时所需的时间比距离为4 cm时更长。笔者认为出现这一结果的原因是：当SAP材料与铁粉的距离太小时，部分水蒸气还没来得及与铁粉接触就已经扩散出去；距离太大时，大部分水蒸气易在这段距离试管内冷凝。故位于中间水平即距离为6cm时，集满1小试管氢气所需时间最短。

(2)由K值大小得出：铁粉质量最佳为0.3 g；SAP材料与水的最佳质量比为1∶24；铁粉与SAP材料之间的最佳距离为6 cm。

(3)由总体分析得出：“铁与水蒸气反应”的最佳实验条件为A1B3C2即当铁粉质量为0.3 g、SAP材料与水的质量比为1∶24、铁粉与SAP材料之间的距离为6 cm时，集满一小试管氢气所需时间为30.78 s即产生氢气的速率最快。

5 实验效果

用SAP材料替代棉花作为铁与水蒸气反应实验的供水剂，有以下优势：

(1)可直接加热SAP材料，加快了水蒸气产生的速率，缩短了实验所需时间，有助于课堂教学；

(2)SAP材料不会碳化，实验结束后试管易清洗；

(3)实验安全易操作；

(4)SAP材料源于生活中的常用物品“尿不湿”，廉价易得，提高了学生的学习兴趣。