有关铁在氧气中燃烧实验问题探析*

2013-04-12潘国荣陈正美

化学教与学 2013年8期

关键词：细铁丝铁粉熔点

潘国荣陈正美

（贵州省雷山县第三中学贵州雷山 557199）

铁在氧气中燃烧实验是初中化学的一个重要的演示实验和学生实验，也是一个难点实验，涉及到氧气和铁两种单质的化学性质。看似简单的实验，却蕴含着丰富的知识与技能内涵。下面以问题的形式进行探析。

一、铁在空气中能燃烧吗？

燃烧是物质发生发光、发热的剧烈的化学反应。通常需要具备：足量的可燃物与助燃剂、温度达到着火点。这三个条件同时满足才能产生燃烧现象。这里的温度，不一定是环境的温度，可以是环境提供热能或反应提供热能积累达到的温度。

刘蕊和丁伟［1］将还原性铁粉洒向煤气灯的灯焰，铁粉颗粒与灯焰接触后，产生明亮火星。在地上铺一张报纸，在空气中倾倒试管中的纳米铁粉。看到：倒出来的铁粉在空气中自发出现红热现象，落在报纸上可将报纸引燃。徐昌学［2］老师把铁粉洒在胶布的沾胶面上，在空气中点燃胶布，抖动胶布，可以看到白光闪闪，很多白光点往下落，现象十分明显。由此可见，很细的铁粉在空气中与氧气反应是可以产生燃烧的现象，但不是持续燃烧。

纯铁的熔点［3］是 1530℃、沸点是 3000℃，很高。生铁的含碳量 2%～4.3%，熔点是 1100℃～1300℃。钢的含碳量 0.03～2%，熔点是 1300℃～1500℃。氧气在与铁反应时，只能扩散在铁表面上进行，其燃烧形式是表面燃烧［1］。铁丝由于表面积小，空气中氧气含量低，使铁丝与氧气反应不剧烈，不能产生燃烧现象。

二、铁丝在氧气中燃烧为什么会火星四射？

木炭在氧气中燃烧产生火星四射的现象，原因是由于木炭内部的碳燃烧产生气体，气体体积在受热时膨胀，使固体或液体向四周飞溅形成爆裂物造成的现象。实验用的铁丝通常并不是纯净的铁，而是含有一定量的碳及微量的硫、磷等。铁燃烧时，铁里的碳会与氧气或熔融状态的铁的氧化物反应生成一氧化碳与二氧化碳气体，这些气体在一千多度的高温下体积急剧膨胀，推动其周围呈熔融状态的铁及其氧化物向四周飞溅，因此，就有了火星四射的现象产生。含碳量越高的铁（或钢）丝，火星四射越明显［4－8］。

纯净的铁燃烧时没有气体生成，是没有火星四射现象的。许多老师把火星四射的程度作为衡量铁丝燃烧成功与否的标志，这是错误的观念。从生铁及其合金的熔点来看，由于含碳量高，熔点降低，更容易熔化而增加与氧气的接触面，并且有气体的推动使反应变得容易和剧烈，所以用生铁或钢做铁在氧气中燃烧更容易成功。这是许多老师通过实验所证实了的。

三、铁在氧气中燃烧掉下或飞溅出的黑色固体物质是什么？

铁的氧化物在标准状况下的生成焓［9］是：FeO为272.04 kJ·mol－1，Fe2O3为 825.5kJ·mol－1，Fe2O3·H2O 为1117.96 kJ·mol－1，Fe3O4为 1118.4kJ·mol－1。从标准生成焓来看，铁在潮湿空气中与氧气和水反应生成Fe2O3·H2O时，在能量上是最有利的。所以，我们不难理解，在常温下，在潮湿空气中铁生锈时，主要产物是Fe2O3·H2O（当然，铁锈的成份要复杂得多）了。

铁的氧化物的熔点［3］是：FeO 为 1420℃，Fe2O3为1560℃并分解，Fe3O4为1594℃并分解。从铁的氧化物熔点推知，由于FeO的熔点低，当氧气与铁反应时，首先生成FeO，由于FeO熔化后与氧气接触面增大，会进一步与氧气反应生成Fe2O3，随着温度升高Fe2O3会分解生成 Fe3O4。吴国庆［10］教授、鞠东胜与王金龙［11］老师等用热力学计算的方法也证明，铁在氧气中燃烧最后产物应该是Fe3O4。Fe3O4的熔点比铁高，因此，熔融的Fe3O4会夹杂着液态铁一起飞溅或落下。这个结论已经被许多老师［4－5］用实验所证实了。

四、多粗的铁丝可以在氧气中燃烧？

从多位老师的实验［8，12－15］探究结果看，从小于0.18mm大到2.0 mm的铁丝都能够在氧气里燃烧，通常是 0.2－0.5 mm 比较合适。细铁丝通常要用 2－3根拧在一起才不容易燃烧熔断，连续燃烧时间长；太粗的铁丝不容易引燃，需要氧气也多，实验成功率低。

五、铁丝绕成螺旋状的目的是什么？

许多人［5，12，15］认为，铁丝绕成螺旋状的原因是：“使后面的铁丝更靠近燃烧点去吸收热量，从而被引燃；增大与氧气的接触面积，使反应更容易进行”及其类似的观点。其实，这种解释是不可靠的。同一根铁丝固体的表面积是固定的，不会因为绕成螺旋状而增加，相反，如果绕得过于紧密让铁表面接触，反而降低了与氧气的接触面积。

细铁丝燃烧时，反应非常剧烈，向上上升速度太快，在观察的同时，还必须快速向集气瓶里不断伸入细铁丝才不容易熄灭。使用坩埚钳或摄子夹持铁丝，操作起来不容易协调、难度大，不容易掌握和控制。铁丝绕成螺旋状后，燃烧上升速度减慢，容易控制，便于观察。李奇［15］老师为此设计三组实验进行了对比。因此，铁丝绕成螺旋状的目的应该是：“防止细铁丝因燃烧剧烈而迅速上升到集气瓶内氧气低浓度区而熄灭，利于操作和观察。”

六、如何引燃铁丝？

铁的熔点很高，而且是热的良导体，其着火点又是很高的，因此，通常要用其它可燃物与氧气剧烈反应释放热量来使铁达到着火点。引燃铁丝的方法有多种，教材与老师们改进报道出来的有以下几种：（1）直径小于0.18 mm的细铁丝（如纱窗铁丝），打磨光亮后，加热到红热时立即放入氧气中即可燃烧［14，16］；（2）一般情况下按课本装置用火柴引燃；（3）有改进用酒精或无水乙醇引燃的［17－18］；（4）有用木炭引燃的［8，19］；（5）有用镁条引燃的［13］。

七、如何防止铁丝在氧气中燃烧时熔融物落下烧裂集气瓶底？

铁丝在氧气中燃烧非常剧烈，熔融物的温度达到1500℃以上，这样高温的物体直接落到瓶底与玻璃接触，会造成玻璃瓶底受热不均而炸裂。按照教材的方法，可以在瓶底铺一层细沙或盛1cm深度以上的水，防止高温熔触物直接与玻璃瓶底接触。但是不容操作，效果也不是很好。为此，胥光勇［12］老师用湿的硬纸片卡在瓶底作了改进，效果较好。严志平与吴就良［20］老师设计用燃烧匙接住熔融物来辅助水的作用一起，以确保瓶底不烧裂。

八、是否一定要用坩埚钳或镊子夹持铁丝？

规范的操作是应该用坩埚钳或摄子夹持铁丝的。但是，学生实验时，由于情绪不稳定，用坩埚钳或镊子夹持铁丝时，容易抖动不稳，经常出现把铁丝抖出瓶口或接触瓶壁，甚至直接抖落到瓶底的现象。为了便于操作成功，建议取长一点的铁丝做实验，让学生直接用手拿住铁丝的一端进行操作。

九、是否一定要把铁丝打磨光亮？

部分老师［4，16］和我们通过实验验证，细铁丝表面有一些油漆或少量锈点，并不影响铁丝燃烧的实验效果。因此，一般情况下，可以直接使用不打磨的铁丝进行燃烧实验。当然，如果铁丝锈斑面积太大，封住铁丝的表面太长，就会影响燃烧的效果了。通常，为了确保实验效果，就要把铁丝打磨光亮一些。

十、铁丝在氧气中燃烧是否一定要纯氧？

根据乔金锁与刘冷［8］老师的研究，使用直径 0.23mm钢丝2根拧在一起、直径0.20mm铁丝3根拧在一起，在氧气体积分数为55%以上的集气瓶中都可以燃烧。而直径0.38mm铁丝1根需要在氧气体积分数为60%以上的集气瓶中才能够燃烧。由此可见，铁丝在氧气中燃烧不需要纯氧。铁丝细，氧气体积分数低一些也可以燃烧；铁丝越粗，燃烧需要氧气体积分数与总量就越高。

参考资料

［1］刘蕊，丁伟.“固体燃烧”相关问题释疑［J］.化学教学，2010，（2）：75－77

［2］徐昌学.铁在氧气中燃烧实验的创新设计［J］.时代人物，2007，（2）：117－118

［3］刘光启等主编.化学化工物性数据手册：无机卷［M］.北京：化学工业出版社，2002

［4］高志清.对铁丝在氧气中燃烧实验的几个问题的探讨［J］.化学教学，1995，（9）：42

［5］胡玉阁.师生畅谈铁丝在氧气中燃烧实验［J］.中学生理科月刊，1997，20（11）：8

［6］钱百成.铁丝在氧气中燃烧为什么会火星四射［J］.化学教学，2007，（2）：8

［7］崔静芝.奇妙的火星四射［J］.农村青少年科学探究，2010，（9）：6

［8］乔金锁，刘冷.铁丝在氧气中燃烧的研究［J］.化学教育，2010，（10）：76－79

［9］梁英教，车荫昌主编.无机物热力学数据手册［M］.沈阳：东北大学出版社，1993

［10］吴国庆.铁丝在氧气里燃烧的产物［J］.中学化学教学参考，2002，（6）：9－10

［11］鞠东胜，王金龙.铁与氧气反应产物的讨论［J］.化学教育，2013，（4）：85－86