硫和铁反应实验的新设计

司二伟 冯高峰

摘要： 针对硫和铁反应的实验充分暴露在空气中且没有采取无害化处理的问题，设计并改进实验装置，具体为：通入氮气排除体系中氧气的干扰，避免实验对环境污染；对铁粉除杂确保只有铁和硫参与反应；利用磁铁实现硫和铁的分离；通过检验生成物中铁元素的价态，确定生成物的成分。改进后的实验设计严谨，装置简单，取材方便，能够有效防止有毒气体的生成，方便用于实验教学。

关键词： 铁和硫反应； 实验设计； 实验探究； 磁铁; 铁元素价态

文章编号： 1005-6629（2023）04-0067-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题提出

《普通高中化学课程标准（2017年版）》将“硫的主要性质”写入了“常见无机物及其应用”的内容要求中，要求通过实验探究了解硫的主要性質，认识物质在生产中的应用和对生态环境的影响［1］。硫的性质是高中化学阶段考察的重要内容之一，教材对硫的性质设置了多个实验。新人教版普通高中化学教材［2］必修第二册第五单元第一节“硫及其化合物”中提到，硫能与许多金属单质发生化学反应生成硫化物，化学性质比较活泼。在正文部分没有针对硫与金属的反应设计相应的实验活动进行探究，仅在教材实验活动5中介绍到“将0.5g硫粉和1.0g铁粉均匀混合，放在石棉网（或陶土网）上堆成条状。用灼热的玻璃棒触及混合粉末的一端，当混合物呈红热状态时，移开玻璃棒”，见图1。

针对此实验存在的不合理部分提出几点疑问，见表1。

绿色化学理念［3］指出，防治污染的最佳途径就是从源头消除污染，传统化学中那些破坏环境的反应将逐渐被环境友好的化学反应所替代，体现了化学学科发展的新价值观。将绿色化学［4］应用到教学实践中，有利于帮助学生深刻理解绿色化学的内涵和重要价值，培养学生的环保意识。“科学态度与社会责任”核心素养要求化学学科体现节约资源、保护环境的可持续发展意识。因此，实验设计思路应渗透绿色化学思想，并体现安全意识和严谨求实的科学态度，据此提出几项可行性的设计，见表2。

2  文献概述

针对硫和铁的反应存在的问题，不少学者设计了实验装置，提出优化方案，大多改进方案从实验装置方面设想，见表3。可以发现，大多研究者的实验装置倾向于简易性、生活化，指向纯粹的实验改进，较少学者将实验与教学相结合。在化学教学中，实验应服务于教学，体现教学思想，彰显学科价值和育人价值。因此，在朝着更符合核心素养和绿色化学理念的实验教学迈进的同时，需要考虑以下几个方面：（1）设计的硫与铁实验装置的目的不应该只是培养学生的动手能力，还需要在课堂上培养学生不断分析、推理的证据意识，渗透化学学科核心素养；（2）教材中设置本实验的目的是通过硫与铁的实验认识到硫具有氧化性，且硫单质的氧化性小于氧单质和氯单质的氧化性。但以往的实验设计较侧重于硫和铁本身的反应，没有思考该实验在教材中所起的作用。

案例研究发现，大多数学者的研究是利用简单装置使硫和铁的反应在密闭体系中进行，避免暴露在空气中，同时利用氢氧化钠溶液吸收尾气。但实验装置内还存在一定量空气，在反应过程中会生成有毒气体。因此，有必要对硫与铁的反应装置做进一步的改进。

3  硫与铁的实验设计

3.1  设计思路

对实验成功的要素进行分析，见图2。从避免二

氧化硫的生成、需要得到目标产物——硫化亚铁这两个角度提出合理化的措施，然后再进行细分优化。结合物质变化的多方位宏观表现和离子反应的微观变化需分析产物中铁元素的化合价；在设计过程中要考虑培养学生基于证据对物质的组成进行猜测、假设的辩证思维，并根据假设提出可行性的措施，以培养学生发现和提出有探究价值问题的能力，提高环保意识。

3.2  实验原理

在加热条件下，铁粉和硫粉受热生成黑色的硫化亚铁，化学方程式：

S+Fe△FeS

检验二价铁，稀硫酸与硫化亚铁反应：

FeS+H2SO4FeSO4+H2S↑

3.3  实验仪器及试剂

仪器和材料：铁架台、酒精灯、导管、硬质玻璃管、烧杯、球形干燥管、胶皮管、充满氮气的气球、小木块

药品：3mol/L硫酸溶液、铁粉、硫粉、2mol/L氢氧化钠溶液

3.4  实验装置的设计

实验装置如图3所示，由氧气排出装置、硫和铁反应装置、防倒吸装置组成。为避免生成污染性气体，利用气球通入氮气，通过玻璃旋塞调整气流大小排出体系中的空气，防止实验中氧气与硫发生反应而产生二氧化硫。

3.5  实验步骤及现象

（1） 组装实验仪器，检查装置气密性。将球形干燥管伸入到水槽液面以下，左侧导管口套上气球，酒精灯微加热硬质玻璃管，发现球形干燥管口有气泡冒出，左侧气球鼓起来且不漏气。停止加热恢复至室温后，球形干燥管下端口形成一段水柱，气球变瘪，则说明气密性完好。

（2） 装入药品。称量0.6g硫粉和1.2g铁粉，混匀后放置在硬质玻璃管的中央，分散铺平，方便观察。

（3） 制作氮气球。取下导管左端的气球，借助氮气瓶、打气枪，向气球中充入氮气，将充满氮气的气球重新套在装置左端。

（4） 用磁铁吸引铁粉（如图3）。铁粉受到吸引聚集在硬质玻璃管内部的上面，实现硫单质和铁单质分离。

（5） 鼓入氮气。调整玻璃旋塞，缓慢释放气球里面的氮气，排出装置里面的空气，干燥管出气口有均匀连续气泡冒出，关闭旋塞。

（6） 点燃酒精灯。对硫粉加热4分钟，产生硫蒸气，与铁粉接触发生反应，有红热现象且反应速度较快，证明反应较为强烈，吸附在硬质玻璃管内壁上方的铁粉量逐渐减少，有黑色物质生成。

（7） 实验结束。待冷却至室温，从右至左拆除装置，将充分反应后的物质取出，捣散后放在洁净干燥的滤纸上面以备用。

3.6  二价铁的检验

用磁铁使滤纸上面的生成物与铁分离，搭建装置，见图4，检查装置气密性。将分离出铁粉后的固体加入到锥形瓶中，向分液漏斗中加入一定体积的稀硫酸溶液（3mol/L），向烧杯中加入氢氧化钠溶液以处理产生的硫化氢气体。将分液漏斗中的稀硫酸慢慢滴入锥形瓶中，立即发生反应，并放出大量气体，从导管通入烧杯被氢氧化钠溶液吸收。取反应后的溶液各3mL分别加入到甲、乙试管中。甲试管滴加两滴铁氰化钾溶液；乙试管滴入硫氰化钾溶液，接着加入5滴30%过氧化氢溶液。甲试管中发现特征蓝色沉淀；乙试管加入硫氰化钾溶液没有明显变化，继续加入过氧化氢溶液，颜色变成血红色。两种方法均证明有二价铁离子产生。

通过上述一系列實验，保证设计的硫和铁反应的实验装置没有污染性气体排放到空气中，并且还检验了生成物中铁元素的价态，证明产物是硫化亚铁。

4  结语

本文利用简单的实验仪器设计密闭体系中硫粉和铁粉反应的实验装置，利用氮气化学性质稳定的特点有效地从源头消除了实验中产生污染的问题。巧妙运用磁铁分离铁粉和硫粉从而多方位感受物质变化的过程，通过检验反应生成物是硫化亚铁丰富了教材的实证研究。实验设计思路中渗透“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”等素养，反映了素质教育改革的整体方向。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2018： 12.

［2］王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·化学·必修第二册［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 8.

［3］吴俊明， 吴敏. 化学的人本思维、绿色思维及其教学［J］. 化学教学， 2019， （12）： 8～14，92.

［4］高翼. 核心素养背景下高中化学绿色实验教学探究［J］. 文渊（高中版）， 2019， （5）： 550.

［5］李元， 曹波. 铁和硫反应的实验装置的改进［J］. 化学教学， 1997， （9）： 9.

［6］齐俊林， 刘广媛. 铁与硫反应实验的改进［J］. 化学教学， 2002， （9）： 8.

［7］齐俊林， 宋艳芝. 全封闭式铁与硫的反应简易演示器［J］. 化学教育， 2010， 31（3）： 91.

［8］王建芬， 齐俊林. 激光笔照射引发铁与硫反应的实验设计［J］. 化学教学， 2016， （7）： 54～56.

［9］杨丽娟， 张丽敏. 铁与硫反应实验的新设计［J］. 化学教学， 2022， （4）： 84～86.