以超细钢丝棉替代铁改进两个化学实验

周良　魏海　王会　李德前

摘要： 利用比表面积特别大的超细钢丝棉设计“铁燃烧”、“铁与硫酸铜溶液反应”两个实验，使铁在常态空气中就能剧烈燃烧、铁与硫酸铜溶液在短时间内反应就能得到浅绿色溶液。改进后的两个实验，不仅操作简便，而且现象明显、趣味性强，提高了实验的观赏性和教学效果。

关键词： 超细钢丝棉； 铁燃烧实验； 铁与硫酸铜溶液反应； 实验改进

文章编号： 1005-6629（2018）6-0076-04 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

钢丝棉本来是用于家具打磨、抛光的一种超细铁丝，由于其极细的外形、超大的比表面积，因此用它来代替常见的铁丝进行某些化学实验，可以产生意想不到的实验效果。

在前不久举行的江苏省初中化学评优课上，周良老师在“金属的性质与利用”现场课中，利用超细钢丝棉做了“铁的燃烧”“铁与硫酸铜溶液反应”两个实验，赢得同行们的广泛赞誉，并获得显著的教学效果。

1 鐵的燃烧实验

一直以来，各版本的九年级化学教科书上有关铁的燃烧实验，均是在充满氧气的集气瓶里进行的（见图1）。一般使用自行车闸线或从铁丝网上抽取细铁丝，再将细铁丝绕成螺旋状，然后在细铁丝末端系一根火柴；在火柴快要烧到铁丝时，迅速将细铁丝伸入氧气瓶中。

按照上述设计，如果一切顺利，铁丝在氧气瓶里能够剧烈燃烧，但其燃烧的时间很短，毕竟氧气的量很有限。另外，集气瓶在实验过程中常会发生炸裂。不仅如此，铁丝没能正常燃烧起来，也是教师在课堂上经常遇到的事情。我们发现，如果使用超细的钢丝棉代替常规的细铁丝，那么铁在常态空气中也能燃烧起来，实验现象妙不可言。

1.1 实验用品

0000号的超细钢丝棉、水；中号的金属文具夹、结实的细绳、打火机、烧杯、湿抹布、剪刀等

1.2 实验装置

新设计的实验装置见图2。

1.3 实验操作

（1） 找一个中号的金属文具夹，再找一根长约30cm的细绳（确保结实且没有弹性），将细绳的一端紧紧地系在金属文具夹尾部的孔中。

（2） 取一卷宽约6～7cm的超细钢丝棉，剪取长约25cm的一段，然后向上对折，再将金属文具夹夹在钢丝棉的边口重叠处（要确保夹入金属夹内的钢丝棉长约0.7cm左右，见图2）。

（3） 一只手拿着细绳的末端（拎着钢丝棉），另一只手拿着打火机，在钢丝棉下端的边角处将其引燃（只要点燃外层的钢丝棉，它就能持续燃烧）。此时钢丝棉在空气中较快地燃烧并产生火星，但火星不会溅出，只是较快地向四周扩散。

（4） 当钢丝棉燃烧3～4秒后，实验者即可在胸前的竖直方向，快速甩动燃烧的钢丝棉，使其高速旋转（做圆周运动）。此时，由于钢丝棉与空气的相对运动，使得钢丝棉接触到充足的氧气（此时氧气与铁反应放出的热量足以达到钢丝棉持续燃烧需要的温度条件[1]），因而剧烈燃烧，火花绽放，火星四溅，非常刺激，异常壮观（见图3）。

（5） 当飞溅出的火星已经很少时，说明钢丝棉即将烧尽。此时停止甩动，并立即将残留有火星的钢丝棉浸入水中，以熄灭火种。

（6） 用磁铁靠近掉落在地面上的黑色颗粒，发现黑色颗粒能被磁铁吸引，初步说明钢丝棉燃烧生成了四氧化三铁，即： 3Fe+2O2点燃Fe3O4。

（当然，若要进一步验证钢丝棉的燃烧产物，还需要使用稀硫酸、硫酸铜溶液等试剂，这一环节可以适时安排在后续的酸碱盐教学中，本节课无需拓展）

（7） 实验结束，整理实验用品。

1.4 注意事项

（1） 在教室或实验室里甩动燃烧的钢丝棉时，甩动的平面要面对学生并离学生一段距离（保证火星不飞向学生），实验者一定不要穿绒毛类、化纤类外衣（最好穿白色棉质工作服），并确保实验场地没有易燃物（如扫帚、绒状的布帘、废纸篓等），以免溅出的火星引发火灾、烫伤学生。

（2） 如果是在室外场地进行该实验，甩动钢丝棉的动作还可以花样翻新。甩动时，不仅可以在胸前竖直方向做圆周运动，还可以在头顶上方水平旋转（实验者必须戴帽子），或将各种旋转方式穿插进行。

（3） 用来甩动的细绳必须结实，在实验前一定要仔细检查，确保没有破损，以防实验中细绳突然断裂，造成燃烧的钢丝棉飞出而酿成事故。

（4） 钢丝棉属于可燃物，其使用和保存必须严格遵守《化学危险物品储存消防安全管理办法》中的有关规定。

（5） 实验过程中虽然产生了大量的火花，但火星在快速下落的过程中会很快冷却。因此，本实验有惊无险。

（6） 实验结束后，一定要提醒学生“不得在家中擅自模仿”。若要在家中做此实验，必须有成年人现场指导，以确保实验安全。

1.5 实验优点

（1） 新设计的实验方案，材料易得（超细钢丝棉可以网购且价格便宜），操作简便，师生人人都能做成功，因此提高了实验教学的效益。

（2） 实验设计新颖，实验现象有趣，因此激发了学生的学习兴趣和创新精神。

（3） 超细铁丝在空气中就能燃烧的事实，促进了学生对完全燃烧条件的认识。

（4） 实验的演示无需另备氧气，因此节省了药品，降低了实验成本。

（5） 通过演示本实验，有利于提高学生的科学风险意识。

（6） 该实验不仅适合课堂演示，还可以在化学晚会上或课外活动中指导学生表演。

1.6 两点说明

（1） 在课外活动中，若想延长铁在空气中燃烧的时间，并溅出浓密的火花，可以截取较长的一段钢丝棉，并多折叠几层。

（2） 课堂上，如果使用超细钢丝棉在氧气瓶里做铁的燃烧实验，只需直接点燃一绺钢丝棉，然后伸入氧气瓶里即可，此时铁丝燃烧非常剧烈，浓密的火花四溅。因此，集气瓶底部要放置较多的水（不少于2cm深）或铺设较厚的一层细砂。

2 铁与硫酸铜溶液的反应

多年来，九年级化学教科书设计的铁与硫酸铜溶液的反应都是使用2～3根洁净的铁钉（或1根螺旋状的铁丝）。由于铁钉（或铁丝）与硫酸铜溶液的接触面小，短时间内仅可以观察到铁钉（或铁丝）表面出现少许红色固体，难以观察到溶液的颜色由蓝色变为浅绿色。我们发现，如果将足量的超细钢丝棉浸入硫酸铜溶液中，不仅短时间内（0.7min左右）产生较多的红色固体，同时可以观察到蓝色溶液变为明显的浅绿色。

2.1 实验用品

0000号超细钢丝棉、0.3mol/L的硫酸铜溶液；30mm×200mm的大试管、与大试管配套的7号橡皮塞、塑料吸管、剪刀等

2.2 实验装置

新设计的实验装置见图4。

2.3 实验操作

（1） 取一根塑料吸管，剪取长约4cm的一段，备用。

（2） 取一卷宽约6～7cm的超细钢丝棉，剪下长约4cm的一段备用。

（3） 将剪下的钢丝棉均匀地缠绕在细塑料管上，并确保卷起来的钢丝棉直径略大于大试管的直径。

（4） 向大试管中缓缓注入0.3mol/L的硫酸铜溶液，溶液的量不超过试管容积的1/3；然后将卷好的钢丝棉竖直塞入大试管的中部，并塞紧橡皮塞（见图4）。

（5） 将大试管缓慢地颠倒4～6次，立刻观察到钢丝棉表面均匀地覆盖着一层红色固体，并且溶液的蓝色逐渐变浅，最终变为浅绿色。上述实验现象充分说明铁与硫酸铜溶液发生了置换反应，即： Fe+CuSO4Cu+FeSO4。

（6） 将试管保持直立状态，此时有明显的放热现象，可适当松开试管口的橡皮塞。整个实验结束后，及时清洗、整理实验用品。

2.4 注意事项

（1） 钢丝棉与硫酸铜溶液接触后，立刻生成大量的细小颗粒的金属铜，并附着在铁丝表面，这样就导致钢丝棉的透气性明显下降。因此，为了确保试管翻转时硫酸铜溶液仍能顺利穿过钢丝棉，必须提前在钢丝棉中间包裹一根细塑料管，并且不要将钢丝棉卷得过于紧凑。

（2） 钢丝棉与硫酸铜溶液快速反应时放热明显，操作时必须将橡皮塞塞紧试管口，以防实验过程中发生冲塞现象。

（3） 为了增大实验现象的可视性，尽量选用大容积的试管，并且硫酸铜溶液的浓度不宜过小（一般以0.2～0.4mol/L为宜[2]）。

（4） 引导学生观察反应后溶液颜色的变化时，注意跟原硫酸銅溶液做对比，并将一张白纸放在试管后面做衬托。

（5） 如果没有硫酸铜溶液，也可以使用氯化铜溶液或硝酸铜溶液，而且相同条件下氯化铜溶液与铁反应的速率会更快一些[3]。

2.5 实验优点

（1） 超细钢丝棉与硫酸铜溶液能充分接触，不仅加快了反应速率，而且解决了以往课堂上难以观察到的硫酸铜溶液变为浅绿色的这一现象，因此提高了实验教学的效果。

（2） 利用生活中的物品进行化学实验，激发了学生对身边化学物质的探索热情。

（3） 超细钢丝棉与硫酸铜溶液快速反应的事实，有利于学生认识到反应物接触面对提高化学反应速率的促进作用。

（4） 本实验既能用于质量守恒定律的教学，也可以在金属化学性质的教学中进行演示。

3 结束语

由于超细钢丝棉的比表面积特别大，故其表面活性非常强，一些化学特性也因此发生了极大的改变[4]。在实验教学中，巧妙利用超细钢丝棉改进和设计化学实验，不仅能显著提高有关化学反应的速率，还能放大有关反应的实验现象，同时丰富了中学化学实验教学资源。超细钢丝棉作为实验材料来自于生产生活，这不仅能激发学生探究身边物质的好奇心，也提高了化学教师开展实验教学的能力，并在一定程度上降低了化学实验教学的成本。

总之，上述两个改进实验都达到了“一看就懂、一学就会、重在思维引导”[5]的创新效果。

参考文献：

[1]刘蕊， 丁伟. “固体燃烧”相关问题释疑——从“铁燃烧”实验说起[J]. 化学教学， 2010， （2）： 75～77.

[2]刘加虎. 铁跟硫酸铜反应的实验探讨[J]. 中学化学， 2009， （6）： 21～21.

[3]姜根华. 对铁与硫酸铜溶液反应的实验探究[J]. 化学教与学， 2013， （3）： 93～94.

[4]何丹丹， 金晶， 路遥等. 纳米铁粉燃烧特性研究[J]. 上海理工大学学报， 2012， （1）： 88～92.

[5]李小红， 桂耀荣. 对化学实验课程创新的思考[J]. 江西教育， 2016， （14）： 50～51.