磁铁在中学化学实验中的应用初探

李曼曼

摘要：磁铁在日常生产生活中应用非常广泛，目前在中学化学实验中鲜少涉及，在中学化学实验中的应用也仅涉及用磁铁来吸引铁以鉴别或收集金属铁等。虽然磁铁重点倾向于物理学等学科上的应用，但科技发展日新月异，多学科融合开发以及应用越来越重要。经过设计实验方案和实验验证，开发出了一系列磁铁在中学化学实验中的应用案例。

关键词：磁铁;中学化学实验;固定;牵移

文章编号：1008-0546（2022）05-0090-03中图分类号：G632.41文献标识码： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.05.019

一、白磷在水中燃烧实验

白磷在水中燃烧实验（见图2），是基于教科书上的燃烧条件的深度探究实验，白磷在水中燃烧，温度稍高（44.1℃）易变成液滴，在水中游动，燃烧现象不持续，白磷上下游动不安全，操控起来不易。

若采用钐钴磁铁和铁丝网固定白磷，白磷即便燃烧起来也不易冲出铁丝网，白磷在水中燃烧虽然放出热量，因为有水吸收热量，局部温度不会超出200℃，所以钐钴磁铁（可以承受300℃以上的高温）几乎不会受此温度影响而消磁[1]。

1.实验用品

白磷，80℃热水，一块钐钴磁铁（圆形横截面直径约2 cm），超细铁丝（0#铁丝棉），250 mL烧杯，导管，装满氧气的气球，乳胶管，止水夹等。

2.实验装置

新设计的实验装置如图3所示。

3.实验步骤

（1）用超细铁丝绕成一个约手指头大小的鸟窝状的铁丝网，能放下半个手指头。

（2）准备一个250 mL的中等大小烧杯，在烧杯中加入150 mL左右的热水（水温在80℃左右）;取一小块白磷，如果白磷较大可以用小刀切成小块，用镊子夹取后放入热水中，将准备好的超细铁丝网凹口的一端倒扣在热水中白磷上方，用镊子先暂时固定，另拿出一块圆形钐钴磁铁，迅速放在烧杯下方靠近铁丝网位置，铁丝网和钐钴磁铁隔着烧杯玻璃紧密贴在一起，并固定好，烧杯下方围绕磁铁周围可事先垫入合适厚度的木块保持烧杯平衡。

（3）将导管与氧气球用乳胶管连接，打开止水夹，将氧气用导管通入烧杯中，慢慢接近铁丝网，当氧气透过铁丝网接触到白磷时，白磷持续燃烧，观察并记录实验现象。

（4）实验结束，整理实验用品，引导学生完成实验报告。

4.几点说明

（1）超细铁丝网的制作，最好选用的是不太细的铁丝棉，本实验选用0#铁丝棉，太细的质软不易成型，太粗也不合适，虽然支撑度好，但空隙太大，熔化的白磷容易透出。

（2）本实验中用的是钐钴磁鐵，钐钴磁铁磁性强，可耐高温300℃ ，性能优越，但是易碎，使用时可以在磁铁外部裹上一层轻薄的纱布。

（2）白磷不宜太大块，一般黄豆粒大小，刚好能放进铁丝网内即可。

（3）本实验中热水温度不宜过高，容易烫伤人员，也不宜太低，容易降温到40℃以下，白磷温度达不到着火点了。

二、氨分子运动的实验

现行上海教育出版社《义务教育教科书·化学》安排的氨分子运动实验（装置如图4所示）[2]，由于实验对环境不够友好，使用药品多，不利于学生透过现象总结结论。

借助磁铁（对温度要求不高，普通铷铁硼磁铁也可行）对上述实验进行优化，增强了趣味性，易操作，用量少，节约资源，污染小，可重复利用。

1.实验用品

两块磁铁组合，内径均为2 cm左右，其中一块为带孔磁铁，集气瓶一个，毛玻璃片一片，脱脂棉，细铁丝，浓氨水、酚酞溶液等。

2.实验装置

3.实验步骤

（1）在带孔的圆柱形磁铁上绕上细铁丝，细铁丝上分别固定一些脱脂棉，然后与另一块磁铁形成磁铁组合固定在毛玻璃片两面，先倒放在桌面上。

（2）先在细铁丝上的脱脂棉上滴上适量酚酞溶液，然后向一集气瓶中滴入少量浓氨水，接着将毛玻璃片盖在该集气瓶上，观察到脱脂棉变红了。

（3）再打开毛玻璃片，在空气中摇晃一会，能观察到脱脂棉上的红色褪去，再放入集气瓶中，又变成红色，反反复复，现象明显有趣。

（4）观察、记录并解释实验现象。

（5）实验结束，整理实验用品，引导学生完成实验报告。

4.几点说明

（1）现行沪教版初中化学教科书中设计的二氧化碳的制备实验是在普通的单孔试管中进行的[3]，这样的设计固液不能分离直至反应结束，造成药品浪费。其实，仍然可利用磁铁组合改进装置，只需利用磁铁组合固定和牵移块状药品（见图6所示装置），就可以轻易实现固液分离，即实现固体反应物的“可移动性”，从而使反应物之间实现接触和分离，进而控制反应开始和发生，原理简单，对比启普发生器，更利于学生直观理解。同理，一般的需要固液分离的化学实验，主要是块状固体，都可以用磁铁组合来实现，例如：用锌粒制取氢气的实验等。

三、铜与浓硫酸的反应

现行人教版普通高中教科书中浓硫酸与铜丝反应实验装置如图7所示[2]，该装置通过抽拉橡胶塞上的铜丝来实现固液分离，操作有一定的难度，不易实现，且缺乏防倒吸装置。

我们利用磁铁组合和单向阀重新改进上述实验中的发生装置，提高了实验教学的有效性。

1.实验用品

浓硫酸、铜丝、两块圆柱形钐铷磁铁组成磁铁组合，其中放在内壁的磁铁是带孔的磁铁，大试管（30 mm×300 mm），移液管、酒精灯，打火机，单孔乳胶塞，单向阀、导管等。

2.实验装置

新设计的实验装置如图8所示。

3.实验步骤

（1）先按如图8所示装置，将带导管的单孔橡胶塞旋进试管，将导管口放入水中，用手握住试管，若有气泡从导管口出现，证明气密性良好。

（2）用移液管移取适量浓硫酸注入试管底部，尽量不要滴在内壁上，后连接好并固定好装置。

（3）准备好一块带孔的钐钴磁铁，拿出一根铜丝，一端绕成螺旋状，一端绕紧在刚准备好的钐钴磁铁上，拿出另一块钐钴磁铁在试管口轻轻接触，中间隔着试管玻璃片紧贴，形成磁铁组合，带铜丝的磁铁放在烧杯内壁，暂时固定在管口，在导管口连接一单向阀，只能导出气体不能使气体倒吸。

（4）点燃酒精灯，先预热后固定加热，然后移动磁铁组合牵引铜丝将其送到试管底部，让铜丝与浓硫酸接触。

（5）反应需要结束时，向上移动磁铁组合牵引铜丝向上提与浓硫酸分离，紧接着撤掉酒精灯，反应即终止。

（6）实验结束，整理实验用品，引导学生完成实验报告。

4.几点说明

（1）組成磁铁组合时，要保证磁吸力足够，如果吸力偏弱可以换磁力更大一些的磁铁，在进行磁铁组合的移动时，速度不宜过快，需要缓慢移动。

（2）在需要加热的实验中，需要用耐高温的钐钴磁铁，一般不对钐钴磁铁直接加热防止消磁。本实验中用到浓硫酸具有强腐蚀性，也可以把内壁的钐钴磁铁换成十字形或锯齿形磁力搅拌子，既能让铜丝缠绕在其上且耐酸碱腐蚀，不干扰实验结果。

（3）教科书中实验没有防倒吸装置，本实验中加入单向阀，顺利解决了倒吸问题。

四、结束语

通过以上几个实验来展示磁铁在中学化学中的应用初探，这仅仅是磁铁在中学化学实验应用中可开发的一角，实际上，通过实验验证，磁铁组合还能用于在特殊不规则容器中加入块状药品，参考图9，内壁的磁铁建议用磁力搅拌子，耐酸碱腐蚀，不干扰实验现象。若把磁铁组合中的一块磁铁用铁丝棉包裹住，可以放在特殊不规则容器中，这样形成的磁铁组合还可以通过牵引转动铁丝棉来进行特殊不规则容器的清洗工作，参考图10。

磁铁，最常见的材料，廉价易得，可重复使用，用它进行化学实验，既节约药品，又绿色环保;不仅现象直观，而且由现象到结论很流畅;不但丰富了实验教学资源，还有利于培养学生的创新精神与实践能力。

总之，如此简单的仪器却可以改进多个化学实验，实现了跨学科融合开发教学。为了让化学核心素养在化学实验室里生根落地，我们一线化学教师要不断进行化学实验创新，从而开发出更多优秀的实验教学素材。

参考文献

[1]张秋源，利用钐钻永磁铁的夹具设计[J].制造技术与机床，2006（10）：68—70.

[2]中学化学国家课程标准研制组，义务教育教科书·化学（九年级上册）[M].上海：上海教育出版社，2017：63.

[3]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心，普通高中教科书·化学（必修2）[M].北京：人民教育出版社，2019：5.