铁与水蒸气反应手持式实验装置的设计

摘要：针对教材中铁与水蒸气反应实验的不足，用弯管、套管、钢丝棉等进行手持式实验装置的设计，并借助传感器对氢气浓度进行实时测量。利用新设计的实验装置可进行课堂演示或分组实验，具有安全性高，趣味性、移动性强，视觉效果好，一体化及易推广等优点。

关键字：铁与水蒸气反应; 手持式实验装置; 实验改进; 弯长导管

文章编号：1005-6629（2020）07-0077-03

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1  问题提出

铁是课程标准要求学习的典型金属元素之一。2019年人教版高中必修新教材第三章第一节在介绍铁与水蒸气反应时[1]，联系生产实际创设真实情境，呈现了钢铁生产中钢水注入模具的真实图片，从而提出“炽热的铁水或钢水注入模具之前，模具必须进行充分的干燥处理，不得留有水，这是为什么”的问题，教材再呈现铁粉与水蒸气反应的实验图片，引导学生深入思考与讨论，了解反应原理，从而明确地回答了该问题[2]。

若按教材装置进行实验存在以下不足：（1）湿棉花提供的水蒸气不均匀、不连续，导致产氢气量低，实验现象不明显，且湿棉花容易烘干烧焦;（2）当温度达到反应要求的500～600℃时，湿棉花的水流向试管加热处，不仅会将铁粉带离加热处，还会导致炙热的试管炸裂，存在安全隐患;（3）还原铁粉成堆状，与水反应接触不够充分，使得加热装置需要改用酒精喷灯、多头酒精灯或加用防风罩等措施，操作不够简洁，耗时也较长，存在安全隐患，大大影响教学效果。

2  研究现状

针对以上不足，很多学者不断做了尝试，对实验进行改进和创新：在改变水蒸气产生方式上，任鑫雨等[3]利用硅酸铝棉代替棉花提供水蒸气;张慧容[4]、刁钰华等[5]利用五水硫酸铜分解释放水提供水蒸气，但仍需用两个酒精灯加热;王紫华等[6]利用香蕉等水果提供水蒸气，但难免会有果酸以及水果中富含的乙烯的干扰。在增大铁粉的接触面上，方向东等[7]利用石棉绒包裹铁粉，但石棉的导热能力比较差;任劭等[8]通过精心设计利用磁铁吸引铁粉，增大接触面，但也只有表面的铁粉才能与水蒸气接触反应，且该装置使用仪器较多，组装耗时较长，操作也不够简练。

3  设计理念

在化学实验教学中，不仅要重视知识结构的建构，也要重视对学生创新意识、安全意识的培养。实验是进行科学探究的重要方式，一个实验若操作更简便、现象更明显、更环保安全和有趣，无疑对40分钟的课堂教學是非常有意义的[9]。

（1） 文献中供水剂的选择可谓五花八门，硅酸铝棉、五水硫酸铜、水果等使学生眼花缭乱。成分越复杂，让学生利用前面所学的金属活动性顺序、氧化还原反应、钠及其化合物等知识推理出水被还原的产物就越难。能否巧妙地选择或加工仪器，直接利用水提供水蒸气呢？

（2） 铁与水蒸气反应，条件是高温，通常温度需要500～600℃时才开始反应。能否找到比表面积较大的铁，这样既能与水快速反应，又能降低反应所需温度，减少试管炸裂的风险，提高实验的安全性？

（3） 通常实验装置固定在铁架台上，产生的氢气泡在不透明的蒸发皿中，学生无法实时观察到实验现象。能否将装置尽可能一体化、生活化，现象更加明显化、直观化呢？这样就可以走近学生，让学生积极参与实验活动。

4  实验改进

4.1  实验仪器及用品

仪器：托盘天平、酒精灯、打火机、试管夹、具支试管、乳胶头、单孔橡皮塞、（加工的）弯长导管、焰色实验中的铁丝（用作取泡器）、橡胶管、玩具吹泡器（截取前端）

用品：钢丝棉、棉线、蒸馏水、泡泡水

4.2  实验改进要点

（1） 用棉线穿过加工的弯长导管（尾端用乳胶头盖上）制成水蒸气的发生装置。弯管的设计，不仅可以在加热初期减少水的损失，也可以避免产生的水蒸气再凝结成水，将水与铁进行物理分离，从根本上解决试管炸裂问题，显著提高实验的安全性。

（2） 周良[10]、伍强[11]等利用钢丝棉改进了铁单质的化学实验，由于钢丝棉比表面积较大，实验取得很好的效果。借鉴此方法利用钢丝棉代替铁粉可以充满整个试管内壁，使得热量能更好地传递和利用。

（3） 借鉴化学1教材刚刚学过的比较碳酸钠与碳酸氢钠的稳定性实验中的套管设计，将穿有棉线的长弯导管穿过橡胶塞再插入具支试管的装置来代替插有导气管的试管，设计出铁与水蒸气反应的简易装置。

（4） 借助数字氢气传感器和同屏显示技术，让学生实时、直观、量化地看到氢气浓度;利用玩具吹泡器验证氢气生成的同时增加了实验的趣味性，增强了学生的视觉效果。助力学生解决化学实验中产生的疑惑，促进学生加深理解化学学科本质。

4.3  实验装置图

实验装置见图1，装置图中的酒精灯、试管夹省略。用棉线穿过加工好的弯长导管制成水蒸气发生装置，利用套管设计将加水后的有棉线的弯管穿过钢丝棉卷再插入具支试管制成铁与水蒸气反应的简易装置，用橡胶管将玩具吹泡器（截取前端）固定在支管口，验证氢气的生成。

4.4  实验过程及现象

（1） 按图1将仪器组装好，检查装置的气密性。

（2） 点燃酒精灯，使用试管夹夹好试管，氢气传感器探头插入具支试管的支管口。预热后，对钢丝棉卷位置集中加热，很快数显氢气传感器显示的氢气浓度慢慢升高。

（3） 取下氢气传感器探头，在玩具吹泡器上蘸上泡泡水，便可看到气泡产生并不断增大，用焰色实验中的铁丝作为取泡器，取下一个氢气泡放在酒精灯火焰上，可听到清脆的爆鸣声，从而验证产生的气体是氢气。

（4） 熄灭酒精灯，利用试管夹的灵活性，将手持装置带到学生中，利用余温产生的泡泡，让学生近距离地观察实验现象，积极参与实验活动。

4.5  实验改进的效果

（1） 利用弯长导管制成水蒸气的发生装置，可以避免产生的水蒸气再凝结成水而引起试管炸裂;乳胶头里储备一些水，便于实验能持续产生水蒸气，也避免产生过多的氢气。

（2） 充满一段试管内壁的钢丝棉不仅保证热量更好地利用和传递，也让水蒸气通过钢丝棉缝隙时充分接触，更好更快地反应。

（3） 借鉴化学1教材刚刚学过的比较碳酸钠与碳酸氢钠稳定性实验中的套管设计，制成铁与水蒸气的反应装置，起到一器多用、培养学生的创新意识的作用。弯管置于试管中部，可以在加热初期，减少导管内的水受热，进而减少水变成水蒸气带走大量热量;而钢丝棉紧贴试管内壁，钢丝棉快速受热后，便可和产生的水蒸气接触发生反应。

（4） 在反应开始前，先把氢气传感器探头放入支管口，当产生氢气时，便可让学生直观地看到显示氢气浓度的数字随着反应时间增加而不断增大，见证了本改进实验从传统到现代、从定性到定量、从静态到动态的转变。

（5） 实验使用便于移动的试管夹，使整个实验装置更简单，操作更简便;实验只使用一个酒精灯，不仅能满足反应快速进行需要的温度，而且降低了使用酒精喷灯或多头酒精灯存在的安全隐患;不用铁架台，不仅操作更灵活，而且便于教师移动行走，手持正在产生氢气气泡的实验装置走近学生，有助于活跃课堂气氛，激发学生学习化学的兴趣，让学生积极主动参与实验活动中，提高了课堂效率。如此通过一系列科学探究活动，发展学生敢于探索的创新意识和严谨求实的科学态度。

參考文献：

[1]王晶等. 普通高中课程标准实验教科书·化学1[M].北京：人民教育出版社， 2019：66.

[2]王晶等. 普通高中课程标准实验教科书·化学1·教师教学用书[M].  北京：人民教育出版社， 2019：88.

[3]任鑫雨， 廖钫. 铁与水蒸气反应实验的改进及评价[J]. 化学教学， 2018， （12）：71～72.

[4]张慧容. 铁与水蒸气反应的实验探究[J]. 中学化学教学参考， 2019， （9）：50～51.

[5]刁钰华. 铁与水蒸气反应实验的创新设计[J]. 实验教学与仪器， 2020， 37（1）： 33～34.

[6]王紫华. 利用香蕉提供水蒸气与铁粉反应[J]. 化学教学， 2019， （4）：75～77.

[7]方向东， 梅进丰， 王雪梅. 再谈“铁与水蒸气反应”实验中的供水问题[J]. 化学教育（中英文）， 2018， 39（9）：27.

[8]任劭， 阳彩霞， 梁恩湘， 李珊， 王国祥. 铁粉与水蒸气反应实验改进[J]. 中学化学教学参考， 2019， （18）：52～53.

[9]李文杰. 浓硫酸与铜反应实验的改进[J]. 化学教学， 2019， （7）：63～65.

[10]周良， 魏海， 王会， 李德前. 以超细钢丝棉替代铁改进两个化学实验[J]. 化学教学， 2018， （6）：76～79.

[11]伍强. 超细钢丝棉在铁与水蒸气反应实验中的应用[J]. 化学教学， 2019， （9）： 69～71.