激光笔照射引发铁与硫反应的实验设计

王建芬 齐俊林

摘要：铁与硫反应实验尽管现象明显，但其副产物二氧化硫对环境污染严重。对铁与硫反应作了实验探究。用吸滤瓶和燃烧匙作反应容器，用大功率蓝色激光笔照射燃烧匙内火柴头粉末引发铁粉与硫粉的混合物发生反应，用氢氧化钠溶液吸收副产物二氧化硫，以及支管上的气球自动调节反应器内压强等，巧妙构建了一个全封闭的实验体系，将一个污染严重的实验变成了环保型实验。

关键词：激光笔；铁与硫反应；实验探究及改进；污染；环保

文章编号：1005–6629（2016）7–0054–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题提出

铁与硫反应是铁或硫的一个重要化学性质，无论是过去、现在还是将来都是高中化学教学中的一个重要知识点。一些老教材曾经给出相应的实验方法，例如“把少量硫粉和铁粉的混合物装在试管里加热到红热，立即把酒精灯移开。反应放出的热，就能使反应继续进行，观察发生的现象”[1]。此种方法的缺陷在于：铁与硫发生反应时会产生大量的有毒副产物二氧化硫气体，严重污染教学环境，影响师生健康；此外，加热试管内混合物时，容易造成试管炸裂，致使实验失败。又如中师课本[2]的实验方法是“将铁与硫的混合物堆放在石棉网的中央，然后将炽热的玻璃棒插在铁与硫的混合物的中心，观察实验现象（如图1所示）”。该种方法虽然简单，但空气污染更为严重。目前编写的现行高中化学教材[3]，也许为了避免老教材中实验的不足，干脆不再给予相应的实验方法，这就给教学带来了极大的不便和困惑，在教学过程中，教师只能纸上谈兵，学生只能死记硬背。为了避免上述问题的发生，近些年来，一些化学教师对该实验进行了认真研究和设计，但仍有不尽如人意的地方。例如：有的实验方法[4，5]虽然简单，但仍然存在污染问题。其中实验方法1（如图2所示），将铁粉和硫粉的混合物装在一个滤纸筒内，然后将一个下端红热的玻璃棒插到滤纸筒内的混合物中，观察实验现象，反应产生的副产物二氧化硫直接排放到空气中，造成室内空气污染；实验方法2（如图3所示），将铁粉和硫粉的混合物放在铁片上，用酒精灯加热铁片使铁与硫发生反应，其产生的副产物二氧化硫气体，也是直接扩散到空气中，造成教学环境污染，影响师生健康；有的实验方法[6]较为复杂，不适合演示实验（如图4所示），是用调压变压器控制电炉丝的电压，用电炉丝加热铁粉与硫粉的混合物。该实验方法除了复杂以外，还很容易发生触电危险，存在一定的安全隐患，况且，铁粉与硫粉反应产生红热现象时，容易使两通玻璃管炸裂，致使实验失败。综上所述，有必要对铁与硫反应的实验方法进行研究和设计，以解决实验过程的污染问题。

2 设计理念

我们在设计铁与硫反应实验时，重点突出了以下几点：一是力求取材容易，装置简单，易于制作；二是必须是一个完整的全封闭装置且可自动调节装置内的压强大小；三是无空气污染且可吸收有害气体二氧化硫；四是便于课堂演示，易于观察实验现象。

3 实验原理

3.1 铁与硫的反应

在加热条件下铁粉与硫粉的混合物（质量比：7：5）发生反应，生成黑色的硫化亚铁，其方程式为：Fe+S△= FeS。

3.2 二氧化硫的吸收

在铁与硫的反应过程中，有一部分硫要与空气中的氧气发生反应，生成副产物二氧化硫。二氧化硫是具有较强刺激性气味的有毒气体，必须设法消除其对环境的污染。利用氢氧化钠溶液可吸收二氧化硫，使其生成无毒的亚硫酸钠和水，其方程式为：SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O。

4 实验材料

吸滤瓶（500mL）1个，燃烧匙1个，气球1只，激光笔（2W）1支，6号橡胶塞1个，细线若干，条形磁铁1根，研钵、研杵各一个

铁粉，硫粉，火柴，细河沙，10%氢氧化钠溶液

5 实验方案

根据设计理念，我们对实验进行认真设计，具体方法是：如图5所示（A.气球 B.氢氧化钠溶液C.铁粉与硫粉的混合物 D.氢氧化钠溶液 E.细河沙 F.火柴头粉末 G.激光笔 H.燃烧匙 L.蓝色激光 M.细线），利用500mL的吸滤瓶作反应容器，燃烧匙内底层装入细河沙，对燃烧匙起保护作用以防腐蚀，中层装入铁粉与硫粉的混合物作为反应物，上层放入火柴头粉末作为引发剂。利用大功率（2W）蓝色激光笔照射燃烧匙内的药品以点燃火柴头粉末，进而引起铁粉与硫粉混合物发生反应，并可保持红热状态。利用吸滤瓶内及支管上气球内的氢氧化钠溶液，吸收副产物二氧化硫。支管上的气球还起到了自动调节容器内压强的作用，避免发生反应时压强过大，影响气密性及仪器爆炸问题，确保整个反应过程均在一个密闭的容器内安全可靠地完成。本实验的创新点在于将加热药品的方式由直接加热改为激光笔照射引燃，使整个实验得以在密闭容器内完成，没有环境污染，保证师生健康。

6 实验方法及其现象

6.1 在燃烧匙内加入药品

取1只6号橡胶塞，将燃烧匙的铁柄从橡胶塞的小头端穿入，在燃烧匙里先装入细河沙，然后装入铁粉与硫粉的混合物（铁粉与硫粉质量比为7：5），再在铁粉与硫粉混合物上方加入约2～3个火柴头的粉末作为引发剂（如图6所示）。

6.2 加入吸收剂氢氧化钠溶液

取1只气球，在其内部注入10mL 10%的氢氧化钠溶液，然后将其用细线系在吸滤瓶的支管上，在吸滤瓶内加入50mL 10%的氢氧化钠溶液（如图7所示）。

6.3 激光笔照射反应物

将装有燃烧匙的橡胶塞紧紧塞在吸滤瓶的瓶口，然后打开激光笔的开关，用蓝色激光直接照射燃烧匙内的火柴头粉末（如图5所示），1～2s后，可观察到火柴头粉末被点燃（此时，关闭激光笔的开关）；接着铁粉与硫粉的混合物发生反应（Fe+S△= FeS），产生红热状态，气球鼓起，片刻后又变瘪，说明生成的副产物二氧化硫（S+O2点燃= SO2）已被气球和吸滤瓶内的氢氧化钠溶液吸收掉（SO2+ 2NaOH=Na2SO3+H2O）；在燃烧匙内生成黑色的固体物质。

6.4 产物的检验

首先取少量用于反应的铁粉与硫粉的混合物放在一张白纸上，用条形磁铁的一端靠近时，可观察到混合物内的铁粉全部被吸附在条形磁铁的端面上。待反应结束，取下橡胶塞，将反应生成的黑色固体放入研钵内中，用研杵将其研碎后放在同一张白纸的另一端，用条形磁铁的另一端靠近时，没有固体颗粒被吸附到条形磁铁的端面上，由此说明，铁粉与硫粉已经完全反应，生成了黑色的硫化亚铁。

6.5 产物的处理

实验结束后，将检验用铁粉放回原处，将黑色的硫化亚铁残渣及燃烧匙的细沙放入指定容器，将气球、吸滤瓶内的液体倒入空烧杯内，待做进一步的处理，以防造成污染。

7 两点说明

7.1 激光笔的来源与工作时间

各种型号的激光笔市场有售，若本地没有，可通过网购来获取。激光笔照射时间不能超过1min，以免激光笔发热使器件受损。

7.2 使用激光笔应注意的问题

50mW以上的激光笔能量较大，直射人的眼睛可受到不同程度的损伤。因此，在实验过程中，激光不要直射自己或他人的眼睛，以防眼睛造成烧伤。

8 实验优点

该实验装置取材容易，制作简单，现象明显，无空气污染，将一个污染严重的化学实验变成了一个环保的绿色化学实验。此外，该实验巧妙地将现代科技产品与普通化学实验有机地结合在一起，解决了实验中的疑难问题，为现代科技产品在化学实验教学中的应用起到了一定的示范作用，并为化学实验改革与创新的研究开创了一条新的有效途径。

参考文献：

[1]人民教育出版社中学化学编辑室编.高级中学课本（试用）·化学（甲种本）（第一册）[M].北京：人民教育出版社，1983：52.

[2]人民教育出版社.中等师范学校课本·化学（第一册）[M].北京：人民教育出版社，1993：88.

[3]人民教育出版社化学室编著.全日制普通高级中学教科书（必修）·化学（第二册）[M].北京：人民教育出版社，2003：56.

[4]陈碧瑜.硫粉与铁粉反应实验的改进[J].化学教学，2011，（6）：48.

[5]孔祥龙.铁与硫反应实验的改进[J].甘肃教育学院学报（自然科学版），2000，（S1）：14

[6]田宗学.铁与硫反应实验的改进[J].教学仪器与实验（中学版），2002，（12）：14.