铁与水蒸气反应实验改进

高成 陈骜

摘要：教材上的铁与水蒸气反应的实验现象不够明显，该实验中试管非常容易炸裂。鉴于这些不足，以校园内的泥土作为储水物质，在用肥皂泡检验氢气的同时，还将反应产物氢气用于还原氧化铜，以此双重检验的方式改进该实验。改进后的实验操作简单、试管不易炸裂、实验现象明显、具有趣味性、实验成本低、适合课堂演示和学生分组实验。

关键词：铁与水蒸气反应；氢气检验；储水物质；实验改进

文章编号：10056629（2023）12007103

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1 问题提出

人教社2019年出版的高中化学必修第一册教材第三章第一节“金属的化学性质”中有铁粉与水蒸气在高温条件下的反应实验^［1］，以此探究铁的活泼性以及反应可能生成的产物。实施该实验，主要存在以下一些问题：一是使用棉花充当储水物质，如果棉花吸水过多，则在试管底部会形成积水，进而随着反应的进行易引起试管炸裂。如果棉花吸水过少，那么在加热过程中，棉花容易被烧焦、碳化；二是随着加热的进行，水蒸气不断蒸发，导致反应产物中混有大量的水蒸气，当用火苗检验氢气时燃爆现象不够明显，而且检验氢气的手段也比较单一，导致实验效果不佳；三是由于氢气燃爆实验的特殊性，需要收集氢气，随着铁粉的消耗，便无法再检验，使实验现象的持续时间较短。

2 相关文献简介

在储水物质的改进方面，聂伟春等使用“尿不湿”中的SAP材料做储水物质。SAP材料吸水储水能力比棉花强很多，在200℃时水分子才从SAP材料中挥发出来，且不易焦化^［2］。陈晶将Mg（OH）₂与还原铁粉均匀混合后加热，利用Mg（OH）₂受热分解产生水蒸气与铁粉反应^［3］。王紫华用去皮香蕉充当储水物质^［4］。伍强选用超细钢丝棉替代铁粉与水蒸气反应^［5］。以上的改进虽然解决了试管易炸裂等问题，但考虑到实验的经济性和方便性，这些改进措施通常无法获得广泛、全面的认同和推广。

在氢气的检验方面，教材仅仅采用取火苗直接引爆肥皂泡法来检验氢气，而在实际演示时，经常会出现氢气气流较弱，无法吹出理想的肥皂泡，或者气流中含有大量水蒸气，导致检验的成功率很低。于是聂伟春等用小试管收集氢气点燃检验^［6］，杨莉改用试管排水集气的方式来收集、检验氢气^［7］。虽然用点燃收集于小试管中氢气的方法来代替吹肥皂泡法能提高检验的成功率，但仍不能有效解决水蒸气干扰的问题。伏劲松等通过用产物氢气还原氧化铜的实验来检验氢气^［8］。李文杰选用手持技术改进实验装置及反应过程^［9］。以上几种改进方法都有不错的效果，可是需要另行搭建实验装置，使装置变得较复杂，操作步骤也更繁琐。

3 实验改进思路

储水物质的选择必须满足以下几点要求：耐高温，不易烧焦；受热产生水蒸气的速率不能太快，从而避免在试管末端快速产生积水；便宜、经济、易获取，能够满足绝大多数学校开展此实验。综合考虑以上因素，本文尝试采用校园里的泥土作为储水物质，选择的泥土以含少量砂的黄泥土为上品，且尽量不含或少含有机质与化肥等。鉴于氢气高温下能还原氧化铜，用玻璃滴管设计了一个氢气的双重检验装置。让学生既可以观察到氧化铜变红产生的铜镜，又可以通过用火苗直接引爆法来检验氢气。如此双重法检验产物氢气，增加了本实验的趣味性和成功率。

4 实验部分

4.1 实验仪器用品与装置图

具支试管、橡胶塞、小药匙、铁架台、20cm橡胶导管、小镊子、玻璃滴管、带把手小坩埚、酒精灯、含砂黄泥土、洗洁精、还原铁粉、玻璃棉、氧化銅粉末实验装置如图1所示。

4.2 实验步骤

（1）在具支试管底部装入长度约2cm湿的含砂黄泥土，注意不能装得太紧。

（2）按图1安装好实验装置，并检查装置气密性。

（3）取下胶塞，在距离泥土约1cm处放入一小药匙还原铁粉，塞好胶塞。

（4）用湿润的玻璃棉蘸取氧化铜粉末塞入一支玻璃滴管中（可少量多次塞入）约4cm长。

（5）用长约20cm的橡胶导管，一端连接具支试管的支口，另一端连接玻璃滴管的上端口，并将其固定在另一铁架台上。

（6）在小坩埚内装好适量的洗洁精，备用。

（7）点燃具支试管下的酒精灯，预热试管，然后集中加热铁粉，用余热加热黄泥土，使其提供水蒸气。随后，点燃另一个酒精灯集中加热氧化铜处。并开始计时，观察现象。

（8）待玻璃滴管内出现铜镜后，停止计时，随后移动小坩埚至滴管滴口处，将滴管的滴口插入洗洁精液面，使小坩埚内洗洁精液面上吹出气泡，待气泡较多时用明火点燃，以此再次检验氢气。

4.3 实验现象

在实验进行过程中，滴管中的氧化铜在酒精灯加热下较快形成一圈非常光亮的铜镜，移动酒精灯可使铜镜长达4cm。在滴管中完成氢气还原氧化铜的实验后，移动小坩埚并将滴管口插入洗洁精液面中，洗洁精液面上快速吹出多而密集的小泡泡，用明火点燃即能清晰地听到爆鸣声，并看到燃爆现象。具支试管口处有少量白雾，试管完好无损。通过多次平行实验，实验效果均较好，不仅能看到光亮的铜镜，完成燃爆实验，而且实验的重复性良好。实验总耗时约1分45秒左右，非常适合课堂演示。

4.4 关于实验的几点说明

（1）采用具支试管且具支口朝下是为了导出可能在试管口冷凝的液态水，以防止冷凝水回流而炸裂试管。

（2）用濕润的玻璃棉蘸取氧化铜粉末是为了增大涂抹的接触面积，更好地形成铜镜。

（3）两个铁架台之间的橡胶导管长约20cm，是为了冷却水蒸气，使流入滴管参与铜镜反应的氢气达到较高纯度。

（4）选用带把手的小坩埚盛装洗洁精进行氢气吹泡和燃爆实验，是为了方便移动，操作简单。

（5）为了形成明亮的铜镜，实验时可顺着滴管左右移动酒精灯，使滴管中的氧化铜充分受热，形成面积更大、更光亮的铜镜。

4.5 实验注意事项

（1）湿泥土装入具支试管不能过紧、量也不宜过多，2cm长左右即可。

（2）实验所用泥土为就地取材的下表层泥土，泥土中尽量不含有机质，如果采用的泥土太过干燥可以加入少许水搅拌均匀至不粘手、不沾试管壁即可。

（3）小坩埚内用于吹泡的洗洁精不需加水，直接倒入小坩埚内即可。

5 改进后实验的优点

（1）实验取材方便，如供水剂材料简单、易得。

（2）实验现象明显，学生易于观察，且可以双重检验产物氢气，还增加了实验的趣味性和成功率。

（3）装置简单，操作方便，既便于课堂演示，又可用于学生探究实验。

（4）能有效避免储水物质的焦化和试管炸裂，实验的安全性和成功率高，重现性好。

参考文献：

［1］人民教育出版社课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心. 普通高中教科书·化学（必修第一册）［M］. 北京：人民教育出版社，2019：64～69.

［2］［6］聂伟春，李永红. “尿不湿”材料用于“铁与水蒸气反应”实验最佳条件的探究［J］. 中小学实验与装备，2020，（4）：39～42.

［3］陈晶. “铁与水蒸气反应”实验的改进及启示［J］. 实验教学与仪器，2014，（03）：26～27.

［4］王紫华. 利用香蕉提供水蒸气与铁粉反应［J］. 化学教学，2019，（4）：75～77.

［5］伍强. 超细钢丝棉在铁与水蒸气反应实验中的应用［J］. 化学教学，2019，（9）：69～71.

［7］杨莉. 铁与水蒸气反应实验的再改进［J］. 化学教学，2014，（9）：54～55.

［8］伏劲松，张艳华，王丽丽等. 对“铁与水蒸气反应”实验中供水剂共性的研究［J］. 化学教育（中英文），2017，（21）：68～72.

［9］李文杰. 铁与水蒸气反应手持式实验装置的设计［J］. 化学教学，2020，（7）：77～78.