储水方式不同的植物器官在“铁与水蒸气反应”实验中的应用

伏劲松+李胜+彭蜀晋+张艳华

摘要：为比较储水方式不同的植物叶、茎在“铁与水蒸气的反应”中的实验效果，拓宽该实验供水剂的选择范围，选择芦荟叶、芭蕉茎两种不同储水形式的富水植物器官作为供水剂进行实验。实验结果表明两类富水植物器官均可作为该反应的供水剂；芦荟叶的供水效果较好，实验装置更简单，实验演示持续的时间更长。

关键词：铁与水蒸气反应；富水植物；植物储水方式；实验探究

文章编号：1005–6629（2017）5–0063–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题提出

“铁与水蒸气的反应”是高中化学教材中的重要反应。发现该实验在一线教师实际教学演示中存在实验现象不明显、重现性差，同时在试管口有大量的水蒸气冷凝造成水倒流易炸裂试管等缺陷[1～4]。

针对实验中供水的问题，我们曾利用富水植物西红柿作为供水剂代替教材实验中的湿棉花，收到了良好的效果。一是实验现象非常明显，释放的水量稳定适量，在试管口没有大量水蒸气凝结，解除了其他供水剂在此方面的困惑；二是重现性很好[5]。在后续的研究中我们发现西红柿等作为供水剂主要提供的是细胞液中的水，细胞壁破裂后释放出细胞液中的水，在实验温度下产生水蒸氣与铁粉反应。其他不同储水方式的植物比如芦荟叶——水储存在细胞液中，同时在细胞受到损伤时还分泌许多粘液质，粘液质可以暂时储水，水不至于立即挥发；还有一类植物水除了储存在细胞液中以外，还有部分水储存在维管束中（维管束是植物输水的器官，具有暂时储存水的功能），比如芭蕉茎、野葡萄藤等。这些植物是否可以作为铁与水蒸气反应的供水剂？在供水方面有何差别？在实验中怎样实施呢？

为此我们进行了相关的文献调研，发现该问题的研究尚未见报道。因此本实验选择芦荟叶与芭蕉茎作为供水剂进行比较研究，以期为一线教师对该成果的利用提供科学的依据。

2 芦荟叶作供水剂的实验效果比较

2.1 实验仪器和药品

酒精灯、带铁夹的铁架台、试管、蒸发皿、火柴、芦荟叶1片、铁粉、肥皂水、托盘天平

2.2 实验装置图

芦荟叶作供水剂的“铁与水蒸气反应”的实验装置图，见图1。

2.3 对比实验

为了验证芦荟叶在实验条件下能否产生可燃气体而对本实验造成干扰，设计了该对比实验。对比实验的装置、操作步骤等与如下“2.4教学实验”中的情况一致，只是不加入铁粉。实验证明：芦荟叶在本实验条件下自身不产生可燃性气体。

2.4 教学实验

（1）按图1组装好仪器，并检查装置的气密性。气密性良好，开始后续步骤。

（2）在试管底部加入约5g芦荟叶的小块状去皮内容物，在离芦荟叶1～2cm处用药匙加入约5g铁粉平铺在试管中。试管口略向上倾斜或者平放，用带导管的单孔橡胶塞塞紧，并将导气管出口伸入肥皂液中。

（3）用罩有铁丝网（防风罩）的酒精灯对试管预热，然后对铁粉集中加热。开始加热时芦荟叶慢慢变软，伴有少量粘稠液体渗出，随着加热的持续进行，渗出液沸腾，产生水蒸气，铁粉随着温度的升高渐渐变黑，同时导气管口有气泡冒出。随着反应的持续进行，肥皂泡越聚越多，用火柴能点燃该气泡，同时能观察到肥皂泡脱离肥皂液升向空中。该反应能持续15分钟，试管口有少量的水蒸气冷凝，所使用的多肉植物芦荟叶水分减少，能明显地观察到叶子失水萎缩，无变黑变焦的现象产生。

3 芭蕉茎作供水剂的实验效果比较

3.1 实验仪器和药品

酒精灯、带铁夹的铁架台、具支试管、蒸发皿、火柴、芭蕉茎、铁粉、肥皂水、托盘天平

3.2 实验装置图

芭蕉茎作为供水剂的“铁与水蒸气反应”实验装置图见图2。

3.3 对比实验

为了验证芭蕉茎在实验条件下能否产生可燃气体而对本实验造成干扰，设计了该对比实验。对比实验的装置、操作步骤等和如下“3.4教学实验”中的情况一致，只是不加入铁粉。实验证明：芭蕉茎在本实验条件下自身不产生可燃性气体。

3.4 教学实验

用芭蕉茎作供水剂时，将图1实验装置进行改进，改进后的实验装置见图2，主要改进的地方是将试管换成具支试管，实验时将具支试管的支口朝下，且整支试管略微向下倾斜，其主要目的是让产生的多余的水从支管口流出。

（1）按图2组装好仪器并检验装置的气密性。气密性良好开始实验。

（2）在试管底部装入约8g左右的芭蕉茎，试管口略微向下，待试管口没有液体下滴时用小药匙在距离芭蕉茎1～2cm的地方加入约6g铁粉，铺平，塞紧橡胶塞，并将导气管伸入盛有肥皂水的蒸发皿中。

（3）用带防风罩的酒精灯对试管预热，然后在盛放铁粉的地方集中加热。加热约1分钟能观察到芭蕉茎渗出的液体沸腾，管口有大量的水蒸气冷凝。冷凝的水蒸气从具支试管的支管口流入到蒸发皿中，蒸发皿中的液面明显上升，铁粉未见变黑。大约3分钟左右观察到大量的肥皂泡产生，用火柴能点燃肥皂泡，观察到少量的肥皂泡脱离液面升向空中，同时观察到铁粉变黑。加热约8分钟左右，不再产生气泡，芭蕉茎变干。

4 实验比较讨论

4.1 实验条件的比较

（1）芦荟叶和芭蕉茎本身在加热的过程中并不产生可燃气体，对该实验不造成干扰，通过对比实验可得以验证。

（2）加热方式相同，都对铁粉集中的地方进行加热，利用余热对供水剂加热。不宜用酒精灯对供水剂部分直接进行加热，这样造成水的释放过量，在试管的前端造成水蒸气的大量冷凝，易倒流炸裂试管，同时也易使供水植物碳化，对后续试管的洗涤带来不便。在实验中还发现如果用酒精喷灯对植物供水剂进行加热，细胞受热过快，细胞迅速膨胀、裂开，喷出水蒸气，直接冲开橡胶塞，此现象芭蕉茎比芦荟叶更明显。

（3）实验装置不同，芦荟叶采用普通试管，且管口可略微朝上或平放，芭蕉茎则采用具支试管且管口朝下。主要是因為这两种供水剂的供水原理不完全一样，造成供水的多少不一样，芭蕉茎短时间内供水过量，所以采用具支试管。

4.2 供水原理

芭蕉茎的供水原理与芦荟叶的供水原理有相同的地方，但也有区别。芭蕉茎中水储存可以分成两部分，一部分是储存在细胞液中的水与芦荟叶一样，另一部分是储存在维管束中的水。储存在维管束中的水量大，同时随着维管束的破裂水易于流出，其释放速度较细胞液中的水快，在本文第3部分的实验中能得到明显的体现。而在铁与水蒸气的反应中能够有效供水的是细胞液中的水，其原因在于，维管束中的水以自由流动的形式存在，在加热时就开始蒸发，温度达到100℃时集中蒸发。由于有这种形式的水存在对试管温度的继续升高也带来了困难，只有当水全部蒸发时，试管的温度才会持续上升到反应所需的高温。

芦荟叶的水主要储存在细胞液中，加热时细胞受热破裂，水逐步释放，同时芦荟叶还分泌粘液质，粘液质对芦荟液释放过多的水具有暂时储存的作用，因此在实验中水的释放适量且稳定，不会造成水的集中蒸发而过量。

4.3 实验优势的比较

（1）选择芦荟叶等做本实验，实验重现性好，有利于课堂演示。

（2）实验所含的知识涉及到植物学中的细胞结构、植物储水和输水的方式以及铁与水的化学反应等，非常适宜于学科之间的综合教学，符合教育发展的趋势。

（3）实验持续的时间有差别，芭蕉茎实验持续的时间较芦荟叶持续的时间短，但对于课堂演示实验两者都能满足要求。

综上所述，利用不同储水方式的植物器官作为供水剂，对于细胞液储水丰富且能分泌粘液质的富水植物其供水效果比维管束储水的富水植物优越；维管束储水的富水植物更有利于学科综合教学。实验持续的时间都能满足课堂演示的需要，实验现象明显。因此建议一线教师从不同的实验目的出发可选择性地加以利用。

参考文献：

[1]张艳红，匡传荣.铁与水蒸气反应的实验设计与改进[J].实验教学与仪器，2016，（S2）：54～55.

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

[3]尚广斗.巧用玻璃弯管演示铁与水蒸气反应的实验[J].教育教学论坛，2010，（2）：172.

[4]洪长青，王玉琴.铁与水蒸气反应实验的改进[J].化学教学，2012，（5）：49～50.

[5]伏劲松，李胜，彭蜀晋，张艳华.富水蔬菜在“铁与水蒸气反应”实验中的应用[J].化学教育，2017，38（5）：70～72.