铁与水蒸气反应实验的改进及评价

2018-02-27任鑫雨廖钫

化学教学 2018年12期

任鑫雨廖钫

摘要：人教版高中化学必修1中铁与水蒸气反应以棉花为载体，实验现象不明显，实验成功率低，在一定程度上影响教学效果。结合实验教学实际，对实验进行改进。选用耐高温、热稳定性好、吸水性好的硅酸铝棉替代棉花作为水的载体，同时对氢气的检验装置进行改进。改进后实验装置简易，操作性、反应速率、实验现象等方面都达到了良好的效果。

关键词：铁; 水蒸气; 硅酸铝棉; 水晶泥; 检验装置; 实验改进

文章编号： 10056629（2018）12007102中图分类号： G633.8文献标识码： B

铁与水蒸气反应实验是人教版高中化学必修1中的科学探究内容，由于此实验用棉花作为水的载体，氢气检验装置简单，从而导致实验安全性太低、实验现象不明显、失败率高等问题。针对这些问题，我们对该实验进行了较深入的探究。

1 硅酸铝棉

硅酸铝棉又称为陶瓷棉，是以硬质黏土、氧化铝、氧化硅为原料采用电炉熔融喷吹法制备的一种无机短纤维，是一种具有耐高温、吸水性好、防火、热稳定性良好、抗腐蚀、导热率较低、可反复利用的材料。硅酸铝棉与传统石棉不同，传统石棉（岩棉）的粉尘有致病、致癌性，国家已经明令禁止使用。但硅酸铝棉可以安全生产、使用。通过实验探究，发现硅酸铝棉的吸水性良好，可用作水的载体。除此之外，通过实验探究发现以棉花为载体，由于其着火点低且导热性差，加热时，棉花易焦化，在铁粉还未达到反应温度时，湿棉花中的水分早已挥发，从而降低了氢气的浓度，使实验现象不明显。相比于棉花，硅酸铝棉可以稳定地产生水蒸气，使水蒸气的利用率达到最大，产生的氢气纯度更高;利用硅酸铝棉耐高温（1333～1673K）、热稳定性好等特点，可通過酒精灯直接加热试管的方式使反应速率更快。

2 实验改进

查阅相关的文献[1， 2]，发现对此实验改进主要集中在对吸水材料的探究。文献中提到了几种吸水材料替代棉花，用于提供水蒸气。这些材料是：玻璃棉、水晶泥（网上有售）、粉笔、湿沙子、红砖、硅胶以及自身分解提供水蒸气材料如Ca（OH）2、 Mg（OH）2、胆矾等。本文选用粉笔、玻璃棉、水晶泥、棉花几种较优的材料与新材料硅酸铝棉来探究实验，同时对氢气检测装置进行改进。基于实验结果，对所用材料进行评价。

2.1 实验装置改进

2.1.1 对检验装置进行改进

铁与水蒸气的反应，按照教材所给检测装置，由于产生的氢气混杂大量水蒸气，所以大大降低了氢气的质量和浓度，导致氢气检测不明显或者没有现象。为了现象更加明显，在试管口加上干燥装置，提高氢气的浓度。

2.1.2 加热装置改进

铁与水蒸气的反应需要较高的温度，在酒精灯上加盖防风罩，可提高温度。

2.1.3 检测方法的建议

（1）有大量气泡产生时，用燃着的火柴靠近，观察现象，听是否有爆鸣声。

（2）用橡胶管蘸取肥皂液，当吹出气泡时，用火柴点气泡，有爆鸣声，瞬间有蓝色火焰生成。

（3）用橡胶管蘸取肥皂液，当吹出气泡时，用手轻抖气泡，气泡上浮，再用火柴点气泡，有爆鸣声，证明有氢气生成。

（4）如果产生的氢气足量，可在实验装置末尾处加一试管进行收集氢气，再对氢气进行检验。

实验装置参看图1。

2.2 吸水材料的改进

2.2.1 实验目的

（1）证明铁是一种较活泼的金属[3]。

（2）探究铁与水蒸气反应的最佳辅助吸水材料。

2.2.2 实验原理

（1）通过对吸水材料的吸水性探究，以及在控制变量的基础上，选用不同的吸水材料探究氢气产生的速率，得到最优的吸水材料。

（2） 3Fe+4H2O（g）△Fe3O4+4H2。

2.2.3 实验仪器和药品

实验仪器：铁架台、干燥管、酒精灯、酒精灯罩、大试管、玻璃导管、胶塞、蒸发皿、火柴

药品：还原铁粉、粉笔、玻璃棉、水晶泥、棉花、硅酸铝棉、水、肥皂液

2.2.4 实验步骤

（1）吸水材料吸水性的探究

分别称取粉笔末、玻璃棉、水晶泥、棉花、硅酸铝棉各1g，向材料中滴加水（水晶泥浸泡在水中）直至材料不再吸水为止，测其最大的吸水量。

结论：吸水性：水晶泥>棉花>硅酸铝棉>玻璃棉>粉笔。

（2）吸水材料能否直接加热探究

分别取上述适量的吸水材料于蒸发皿中，加热蒸发皿，观察实验现象，得出实验结果。

粉笔末的主要成分是硫酸钙（含少量碳酸钙），加热不易分解;玻璃棉主要以石英砂、长石、硅酸钠、硼酸为主要原料，这几种原料极耐高温，所以酒精灯能直接加热;水晶泥是一种钾聚丙烯酸酯聚丙烯酰胺共聚体型保水剂，属于有机物类，在加热和高氧条件下会发生爆炸，所以不能直接加热;棉花着火点低，直接加热易焦化;硅酸铝棉为耐高温、热稳定性好的无机材料，能直接加热。

（3）不同吸水材料反应速率的探究

① 按要求搭好实验装置（见图1），检查各连接部分是否漏气。

② 取5支相同规格的试管，分别编号为1、 2、 3、 4、 5;分别称取棉花、玻璃棉、硅酸铝棉、粉笔末、吸水后的水晶泥各1.00g，棉花、玻璃棉、硅酸铝棉用水浸湿后挤干，塞入试管底部（水晶泥剁碎后直接放入试管底部、粉笔末先放入试管底部再滴水浸湿）。

③ 称取2.00g铁粉5份，分别将铁粉放入5支试管中，铁粉中心至棉花等吸水材料边缘距离2cm左右。

④ 先后对装粉笔末、玻璃棉、硅酸铝棉的试管预热，再同时直接加热铁粉和吸水材料;或先后对装有棉花和水晶泥的试管先预热铁粉，再加热试管。当试管上有小水珠生成时，集中加热铁粉。此时，铁粉由银灰色变为黑色。加热开始时立刻计时。

⑤ 将导气管伸入肥皂液中，当肥皂液中有大量连续气泡产生时，停止吹气泡。

⑥ 用燃着的火柴靠近气泡，气泡燃烧且有爆鸣声，此时停止计时，记下所耗时间。

不同吸水材料检测到氢气所需时间见表3。

① 检测到氢气所需要的时间：

t（硅酸铝棉）<t（棉花）<t（水晶泥）<t（玻璃棉）<t（粉笔末）。

② 在控制变量的基础上，其他条件不变，采用相同质量的不同吸水材料进行实验，发现硅酸铝棉产生氢气所需要的时间最短，即硅酸铝棉最优。

3 结论