探究氯化铁溶液灼烧的变化

摘要： 将浸泡过氯化铁溶液的粉笔于酒精灯上灼烧，观察实验现象并解释其原因，意外发现有黑色固体析出。引导学生通过实验探究证实对黑色物质形成的反应机理的猜想。学生在真实的问题情景中经历实验探究全过程，提高了发现问题的意识和探究能力。

关键词： 水解；实验探究；氯化铁； 教学设计

文章编号： 10056629（2018）2005004中图分类号： G633.8文献标识码： B

化学是一门与实验相关的自然科学，实验探究是化学学科核心素养的内在要素，也是综合培养学生化学学科核心素养的一种有效方法[1]。教学中利用实验出现的意外现象，引导学生发现问题，确定探究课题，设计并优化实验方案，动手进行实验，观察记录分析实验现象，评价与反思并最终获得正确结论。学生亲历实验探究的过程，在探究的过程中引發学生的认知冲突和深度思考，激励学生发现和提出有探究价值的化学问题，并应用化学知识解决问题，培养学生的问题意识，提高学生分析解决问题的能力。

1教学目标

（1） 通过实验，理解将挥发性酸对应的弱碱盐溶液蒸干、灼烧的生成物，且能够依据离子平衡原理加以解释。

（2） 对比评价FeCl3溶液蒸干、灼烧实验的两套方案，掌握实验方案评价的策略。

（3） 在解决问题过程中思考Fe2+和Fe3+检验、铁的氧化物性质知识的应用。

（4） 借助改进实验意外现象的发现、猜想、设计方案、验证、评价反思的过程建构科学探究的思路和方法。

2教学过程流程

教学过程流程简图见图1。

3教学过程

FeCl3、 AlCl3等盐溶液蒸干会促进水解，生成氢氧化物，灼烧得氧化物。教学中为了便于学生理解，对上述实验进行取证。

[教师演示]用传统方式演示FeCl3水解相关实验： 将大约20mL饱和FeCl3溶液先在蒸发皿中蒸发，再在坩埚中灼烧，观察实验现象。加热溶液，溶液颜色由黄色变为红褐色，溶液蒸发后转入坩埚中灼烧，固体颜色由红褐色变为铁锈色。

[教师讲解]针对实验耗时长、药品用量大、污染环境的问题，介绍对上述实验的改进方法。

[学生实验]将一只粉笔浸泡在FeCl3溶液中（浓稀均可），用坩埚钳夹持粉笔于酒精灯上灼烧（图2）[2]，随着加热时间的持续，可在1min内观察到粉笔表面颜色的变化： 黄色→红褐色→铁锈色→黑色。

[学生讨论]实验现象中前三种颜色出现的原因： FeCl3溶液水解生成Fe（OH）3， Fe（OH）3受热分解为Fe2O3。

[教师提问]与传统实验相比较，改进后实验的优点是什么？

[学生讨论]操作简单、耗时短、药品用量少、节约、环保。

设计意图： 学生亲历对实验方案的评价过程，在实践中学习化学实验评价的要点即科学、简约、安全、经济、环保。

[学生提问]为什么粉笔表面颜色最终变为黑色？黑色物质是怎么生成的，成分是什么？

[教师指导]依据反应物、反应条件合理猜想可能发生的反应，对黑色物质是怎么生成的进行猜想。

[学生讨论]提出猜想： ①酒精不完全燃烧的碳；②酒精与粉笔灼烧的产物；③酒精还原Fe2O3得到的物质。

[教师提问]如何设计实验证实是猜想①、②？

[学生讨论]实验方案。

[学生实验]把洁净的粉笔置于酒精灯上灼烧，不会呈现黑色。实验直接排除了猜想①和②。

[教师提问]如何设计实验证实是猜想③酒精还原了Fe2O3可得到黑色物质？

[学生讨论]实验方案。

[教师演示]酒精还原Fe2O3的实验[3]： 如图3，在密闭装置中，将酒精浸泡过的粉笔和Fe2O3同时放在硬质玻璃管中。先在粉笔处加热，用酒精蒸汽排尽装置中的空气后，再在Fe2O3处加热，约5min左右可以在硬质玻璃管中观察到红色Fe2O3变成黑色。取下装置中新制的Cu（OH）2加热，观察到新制的Cu（OH）2由蓝色沉淀变成砖红色沉淀。

[学生讨论]酒精被氧化为乙醛并有黑色物质生成，猜想③正确。

[学生提问]黑色物质是什么？

[教师指导]类比酒精还原CuO实验，围绕反应物（乙醇、Fe2O3），根据氧化还原反应原理，进行推理判断。

[学生讨论]提出猜想： 黑色物质可能是单质Fe、 FeO或Fe3O4。

[教师提问]如何设计实验，探究黑色物质是三种中的哪一种？（限选实验仪器与试剂： 烧杯、试管、玻璃棒、药匙、滴管、酒精灯、试管夹、吸铁石、黑色粉末样品、3mol·L-1 H2SO4溶液、 6mol·L-1 HNO3溶液、 3mol·L-1 HCl溶液、 0.01mol·L-1 KMnO4溶液、 20% KSCN溶液、蒸馏水）

[学生讨论]实验方案。

[学生实验]实验①： 取黑色粉末少量，粉末完全被磁铁吸引；实验②： 在盛有黑色粉末的试管中加入稀H2SO4后，固体部分溶解但无气泡产生；实验③： 取上述实验②清液加入KMnO4溶液中，观察到紫色褪去，另取实验②清液加入KSCN溶液出现血红色。

[学生讨论]实验①证明黑色物质不是FeO，实验②证明黑色物质不是单质Fe，实验③证明既有Fe2+又有Fe3+，由此得出结论，黑色物质是Fe3O4。

[学生提问]是否因反应时间太短，导致了酒精只能将Fe2O3还原成Fe3O4？

[教师演示]如图3，在密闭装置中，用酒精浸泡过的粉笔和Fe2O3同时放在硬质玻璃管中加热，观察到将红色Fe2O3变成黑色后再持续加热5分钟使其充分反应。取黑色粉末少量，粉末完全被磁铁吸引。在盛有黑色粉末的试管中加入稀H2SO4后固体部分溶解但无气泡产生，取上述清液加入KMnO4溶液中，观察到紫色褪去，另取上述清液加入KSCN溶液出现血红色。

[学生讨论]得出结论： 酒精将Fe2O3还原为Fe3O4，与反应时间无关。

至此学生完成了探究历程（图4）：

[教师出示]信息资料： 铁的氧化物有FeO、 Fe2O3和Fe3O4等。FeO是铁的氧化物之一，其外观呈黑色粉末，由氧化态为+2价的铁与氧共价结合。FeO属于非整比化合物，其中铁和氧元素的比例会发生变化，范围从Fe0.84O到Fe0.95O。FeO是一种黑色粉末，不稳定，在空气中加热，可被氧化成Fe3O4，隔绝空气加热会歧化为Fe和Fe3O4。

[教师提问]根据信息酒精还原Fe2O3得到的产物Fe3O4会不会是由于FeO的不稳定性而生成的？

[学生讨论]酒精还原Fe2O3时先用酒精蒸汽排尽了空气，是无氧气环境加热，故不会是由于FeO在空气里加热而被氧化成Fe3O4，又因为在盛有黑色粉末的试管中加入稀H2SO4后固体部分溶解但无气泡产生，证明无单质Fe，故不会是由于隔绝空气加热歧化为Fe和Fe3O4，由此得出结论酒精将Fe2O3还原产物只能是Fe3O4。

[教师讲解]教师介绍X射线衍射谱图（XRay diffraction， XRD），并给出由河北大学化学实验室对黑色产物测样得出的产物表征图及结果（图5），图5显示了Fe3O4（曲线a）、Fe2O3（曲线c）及单质Fe（曲线d）的XRD谱图。从Fe3O4的XRD谱图上可以看出35.3°、 43.0°、 56.9°和62.5°分别对应于Fe3O4的（311）、 （400）、 （511）和（440）晶面（JCPDS NO. 190629）。Fe2O3 XRD曲线上的33.1°、 35.7°、 54.2°、 62.6°和64.5°分别对应于Fe2O3的（104）、 （110）、 （116）、 （214）

图5Fe3O4（曲线a）、酒精还原Fe2O3的产物（曲线b）、Fe2O3（曲线c）及单质Fe（曲线d）的X射线衍射谱图（XRay diffraction， XRD）

和（300）晶面（JCPDS NO. 898103）。曲线d上44.9°的XRD衍射峰对应于单质Fe的（110）晶面（JCPDS NO. 870721）。由图可知，酒精还原Fe2O3所得到的产物（曲线b），其XRD谱图与Fe3O4一致，而与Fe2O3和单质Fe的XRD谱图明显不同，进一步证明了通过酒精还原Fe2O3得到的产物是Fe3O4。

设计意图： 学生初步了解目前化学研究中常用的仪器分析，开阔了眼界。先进科研手段对学生探究结论的进一步证实，使得学生的成就感倍增。教學过程中引导学生尝试科学研究，将科研的种子植于学生心中，培养学生学科学、爱科学、不断创新、勇于质疑、坚持不懈的品质。

4教学反思

FeCl3、AlCl3等盐溶液在蒸干时，会完全水解，生成的氢氧化物在灼烧后转化为氧化物。对FeCl3溶液灼烧实验进行改进发现得到黑色粉末的意外现象。由此，设计了本节的实验探究课，希望让学生通过实验探究，认识所发生变化的本质，提高问题意识、探究意识和探究能力。事实证明，化学实验的意外现象，能使学生学习兴趣高涨、引发探究欲望，活跃思维。课堂上，教师要抓住契机，充分利用意外现象生成的教学资源，不搪塞敷衍，不主观臆断，启发学生进行探究。

本节的教学设计也说明，在教学实践中，教师要注意将课本中现象不明显、成功率较低、污染大、耗时长的实验加以改进，提高实验的效果。教师示范演示实验创新，对于培养学生问题意识、批判精神，提高学生的创新意识也是一个很好的示范。本节教学采用问题驱动式的教学方法，学生按以下程序开展学习活动： 提出问题—确定任务—实验探究—解决问题。课堂上80%以上的时间是学生讲实验、做实验、交流讨论，教师只起引导的作用，把课堂真正地还给学生。在讨论评价环节，全体学生参加了每个问题的讨论，学生在遇到实际问题时，通过讨论、探究去寻找答案，充分体现学生的学习主体地位，学会交流讨论，增强团队精神。

参考文献：

[1]徐滨.化学学科核心素养的培养策略[J].中学化学教与学， 2017，（4）： 17.

[2]薛桂凤.创新氯化铁水解实验及由该实验引发的实验探究[J].中学化学教学参考， 2012，（5）： 53.

[3]薛桂凤.3个高中化学演示实验的改进[J].实验教学与仪器， 2010，（7/8）： 61.