利用香蕉提供水蒸气与铁粉反应

2019-05-15王紫华

化学教学 2019年4期

关键词：实验探究香蕉

王紫华

摘要：利用常见水果——香蕉作为水蒸气来源与铁粉反应，代替教材实验中的湿棉花，经过多次探索、尝试和对照，结果发现香蕉供水持续、稳定，产气量大，实验现象明显，重现性好，适合课堂演示及学生分组实验。

关键词：香蕉; 铁粉与水蒸气反应; 实验探究

文章编号： 10056629（2019）4007503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”是人教版高中必修《化学1》第三章第一节“金属的化学性质”科学探究栏目中的实验[1]。该实验采用湿棉花作为水蒸气来源，用酒精灯加热还原铁粉进行反应，并通过点燃含氢气肥皂泡的方法来检验产生的气体为氢气。但在实际教学中发现：该实验虽然操作简单，但成功率低[2]，实验现象不明显，用火柴点燃导气管出来的气体时，根本点不着，无法验证产生的气体是否为氢气[3]。经过实验及查阅资料，笔者认为主要原因在于：（1）湿棉花的水分易挥发。铁与水蒸气反应的温度为1173K[4]，而水的沸点为373K，远远低于该实验的反应温度，因此，当铁粉温度达到反应温度时，湿棉花中的水分早已蒸发殆尽，导致水蒸气量不足，产生的氢气量极少，现象不明显。（2）在加热过程中，湿棉花中的水会流向试管中间加热部位，导致试管炸裂;同时棉花的着火点低，集中加热易着火，存在安全隐患。

针对以上不足，很多同行先后报道了多种改进方法。主要体现在以下两个方面：（1）供水剂的改进。例如用锅炉煤灰[5]、粉笔灰[6]、红砖粉[3]、沙子[7]、SAP[8]、水晶泥[9]、硅胶[10]等吸水材料代替原实验中的棉花;用胆矾[11]、 Ca（OH）[12]2、 Mg（OH）[13]2等常见结晶水合物或高温分解产生水的物质做供水剂;用水蒸气发生装置或类似于该原理的装置供水。例如用胶头滴管[14]、试管[15]、注射器[16]装水，或将试管弯曲[17]或用玻璃弯管[18]等供水。（2）加热方式的改进。开发出双头或三头酒精灯[19]。这些方法不同程度地提高了实验成功率，但效果仍然不够理想。主要表现在反应速率慢、氢气产量少、实验装置复杂、难以操作、实验现象可见度低等。特别是在供水剂的选择上始终存在供求矛盾：供水不足或供水过量。供水不足时水蒸气产生太慢、太少，导致无法达到预期的实验效果;供水过量会在试管前端形成大量的水蒸气，水蒸气冷凝、倒流而使试管炸裂。

鉴于上述问题，笔者通过查阅文献，反复探索、尝试，发现利用常见水果——香蕉作为铁与水蒸气反应中的供水剂，操作简单，绿色环保，供水持续、稳定，水量适中，实验现象明显，重现性好。实验将化学与生活联系起来，有利于培养学生的核心素养。

2 实验设计

2.1 实验仪器

托盘天平、药匙、酒精灯、带铁夹的铁架台、试管、带导管的橡胶塞、自制酒精灯防风罩、自制灯罩座（细铁丝弯曲而成）、火柴、坩埚钳、洗洁精、蒸发皿

2.2 实验药品

分析纯还原铁粉、常见水果（西瓜、火龙果、雪梨、荔枝、香蕉）、NaOH固体

2.3 实验装置

铁与水蒸气反应的实验装置见图1。

2.4 实验操作及现象

（1）按照图1组装好装置，并检查其气密性。

（2）用托盘天平称取2g香蕉（去皮），装入试管底部，在距香蕉1～2cm处加入2g还原铁粉，试管口略向下倾斜，用带导管的单孔橡胶塞塞紧试管口，然后将导管的另一端插入事先准备好的盛有肥皂液的蒸发皿中。

（3）点燃带有防风罩的酒精灯，先对香蕉及铁粉部位预热，然后再对着装有铁粉的位置固定加热，大约10秒后肥皂液中有气泡产生，随着温度的升高，香蕉中的水开始沸腾，香蕉开始膨胀，肥皂液中气泡越来越多，产生速度越来越快，点燃肥皂泡，剧烈燃烧，火焰高达15cm左右，同时伴有强烈的爆鸣声，说明有氢气产生。反应结束后，先移开肥皂液，再撤去酒精灯。

（4）我們还尝试了用其他水果提供水蒸气与铁粉反应，方法同前，实验效果见表1。

2.5 对比实验

通过查阅大量资料，得知尽管水果中的果酸含量较低（一般约0.3%～0.5%，低的仅0.1%左右），但为了证据更充分，体现实验的真实性，选择了pH接近中性的西瓜（pH约为6.6）来做对比实验，以此来确定果酸中的酸是否与铁粉反应产生氢气。

（1）取2g西瓜于试管底部，再加入2g铁粉，振荡试管，使其充分混合，并按图1装置装好，无气泡产生，再将试管置于盛有水的烧杯中进行水浴加热，起初有极少量的气泡产生（可能为空气），随着不断加热，烧杯中的水沸腾，10分钟之后，肥皂液中无气泡产生。说明水果中的酸几乎与铁粉不反应。

（2）同样取2g西瓜于试管底部，加入1g NaOH固体，振荡试管，使西瓜与NaOH充分混合（试管底部发烫），再称取2g铁粉，平放于距西瓜1～2cm的位置，按照图1装好整个装置并加热，20秒后，肥皂液中开始产生大量气泡，点燃肥皂泡，立即燃烧并伴有爆鸣声。说明水果中的果酸对该反应无影响，从而充分说明氢气是由水果中的水蒸气而非果酸与铁粉反应所得。

3 实验说明

（1）装置中提到的防风灯罩是利用废旧的易拉罐，剪去上下两端部分，再从中间部分上下剪开，然后按大小再用订书机订在一起，实现了废物利用，体现了绿色化学。

（2）灯罩座是用细铁丝弯曲而成，主要是为了增大空气的进入量，确保酒精灯充分燃烧。

（3）香蕉切忌太碎太小，切成块状，略小于试管口即可。

（4）肥皂液是由洗洁精和水混合而成，浓度不宜太稀，否则产生的氢气不能大量聚集，点燃时现象不明显。

4 实验优点

（1）立足教材，装置简单。该实验利用教材中的简单装置，以香蕉代替传统的湿棉花与铁粉反应。既立足教材，又不失创新。

（2）操作简便，适宜演示。香蕉供水产生氢气的速度既快且稳，整个实验在2～3分钟内即可完成，完全符合课堂教学的要求。

（3）降低成本，条件温和。由于香蕉供水持续稳定，加热过程中不会产生大量水流，避免了因水蒸气大量冷凝而使试管炸裂的现象。因此用普通的试管代替硬质试管即可顺利完成实验。

（4）现象明显，重现性好。香蕉产气量大，现象明显，且不易炭化，是水蒸气的最佳来源之一。

（5）就地取材，绿色环保。实验材料来源广泛、易得，绿色环保，安全可靠，适合课堂演示及分组实验，具有一定的应用和推广价值。

参考文献：