铁与水蒸气反应的创新实验

湖北省天门市天门中学(431700) 伍 强

1 实验器材与试剂

大试管、单孔橡皮塞、酒精灯、试管夹、带金属盖的塑料小瓶、普通塑料小瓶、面巾纸、粗铜丝、防火胶布、打火机、中性笔芯、输液管滴壶、超细钢丝棉、蒸馏水、洗洁精溶液。

2 实验创新要点

(1)用化学组成与还原铁粉相似的超细钢丝棉代替铁粉进行反应,增大了铁与水蒸气的接触面积,提高了实验的成功率。

(2)对吸水材料和超细钢丝棉进行了定量装配设计,简化了操作过程。

3 对现有实验的评价

(1)旧教材将铁粉附着在石棉绒上进行反应,由于石棉绒导热性不好,大多数铁粉温度不够高,难以反应。现行教材实验中水蒸气与铁粉接触面积有限,大多数水蒸气来不及与铁粉反应就逸出了试管;铁粉与供水剂的距离太远、太近都会导致实验失败;实验前药品装填困难、实验后废弃物不易取出。

(2)当前的改进实验分两类,一类是改进供水材料,延缓水蒸气的发生,如将棉花改为富水蔬菜等,提高了实验成功率,却导致了实验时间过长的问题,而且这一类设计并没有解决供水剂与铁粉的距离问题。另一类是增加铁与水蒸气的接触面积,如用半圆形磁铁吸附铁粉,使其呈毛刷状,增大了铁粉与水蒸气的接触面积,但该设计有装置过于复杂、操作不便等缺点。

4 实验教学目标

(1)通过评价“铁与水蒸气反应实验”的旧教材设计、现行教材设计及已有改进实验设计,培养学生的分析能力与评价能力。

(2)指导学生参与该实验的改进,培养学生的创新能力。

(3)通过反复测试,对装置不断进行优化,培养学生精益求精的探究精神。

5 实验教学过程

5.1 实验装置的初步设计

(1)对现有实验设计的评价

在教师的指导下,学生成立了实验改进小组。教师引导学生对旧教材、现行教材及已有改进实验进行评价。

(2)实验试剂的选择

用钢丝棉代替还原铁粉进行实验,钢丝棉有弹性,堵在试管中,水蒸气只能从钢丝棉的缝隙中通过,增大了接触面积,有利于反应的发生。钢丝棉是钢纤维,导热性好,不仅紧挨着试管内壁的钢丝棉可以反应,部分靠近内壁的钢丝绵也能发生反应。

(3)对初期成果的评价

教师指导学生设计出如图1所示的初期成果装置,并以思考题形式引导学生对初期成果进行评价,具体过程如下。

图1 初期成果装置示意图

思考题：已知钢丝棉与面巾纸定量装配流程如图2所示,取1张面巾纸,折成1个方块;取1根粗铜丝,将其一端弯成钩状,钩在面巾纸上并捏紧,使面巾纸难以移动;称取2g钢丝棉,对折成图2(a)所示形状,将单层部分压在面巾纸和粗铜丝上,双层部分压在粗铜丝上,卷成一个如图2(b)所示的圆柱状,用细铜丝将圆柱两端扎好,防止面巾纸和钢丝棉散开。在粗铜丝中部折出一个U 形弯,并将粗铜丝另一端折成一个环,最终得到一个钢丝棉与面巾纸组合而成的定量装配装置。请回答下列问题：

图2 钢丝棉与面巾纸定量装配流程图

(1)本实验的投料过程较为方便,原因是什么?

(2)为什么要用“面巾纸”包住钢丝棉?

(3)用蒸发皿收集气体,点燃气体时发生较剧烈燃爆,需要用坩埚钳夹住火柴。本实验将蒸发皿改为试管的目的是什么?

(4)初期成果还有那些地方值得改进?

5.2 实验装置的中期设计

小组成员对实验装置作了便携式设计,如图3所示。用试管夹代替了铁架台,用缠有防火胶布的废弃中性笔芯代替了玻璃导管,用青霉素小瓶代替了小试管。小组成员对中期成果进行测试发现：如果操作不当,试管可能会炸裂。

图3 中期成果装置示意图

5.3 实验装置的后期设计

小组成员对实验装置进行了防炸裂设计,如图4所示。在导管上端增加了用输液管滴壶制成的防倒吸装置,在试管口增加了用面巾纸制成的吸水装置。通过测试,取得了较好的实验效果。

图4 后期成果装置示意图

5.4 后期成果的推广与定型

教师采取送教入班的形式对实验成果进行推广,共选择了本校19个班级进行了教学,收到了良好的效果。

由于实验室腐蚀性气体较多,无法安装一体机等电子设备,本校涉及分组实验的课程,往往是将实验仪器运到普通教室进行教学。但仪器中常有铁架台等较重的物品,授课教师一般提不动实验仪器,限制了这种教学模式的推广。由于本实验为便携式设计,给教学工作带来了极大的便利,值得推广。

通过送教入班活动,发现由于青霉素小瓶重心较高,易被学生打翻。因此,将青霉素小瓶改为金属瓶盖,如图5所示。由于准备了200多组学生实验,工作量较大,将定量装配装置的制作工序进行了简化,去掉了捆扎面巾纸和钢丝棉的细铜丝,发现钢丝棉和面巾纸也不易散开。由于装置较简单,即使学生基于好奇心,把装置拆掉了,也能重新将装置包好。去掉了U 形弯,钢丝棉也不易脱离面巾纸,即使钢丝棉在插入过程中脱离了面巾纸,可用镊子将钢丝棉往里推一下,紧挨到面巾纸,也不会影响实验效果。

图5 定型装置示意图

6 实验效果评价

本实验设计有以下优点：装置简单、操作方便、安全性高、成功率高,使用的仪器与药品价廉易得,值得推广。