铁与水蒸气反应实验条件的探究

铁与水蒸气反应实验条件的探究

摘要：人教版化学必修１中铁粉与水蒸气反应的实验装置虽然简单易操作，但是实验成功率很低，实验现象不明显。在其他文献的基础上，对实验条件及产物的检验进行了探究，同样实验装置下操作简单，现象更加明显。

关键词：铁粉；水蒸气；实验改进

人教版必修ⅰ中采用湿棉花作为水蒸气源，用酒精灯加热还原铁粉的反应，并通过氢气肥皂泡检验氢气的产生［１］。在中学教学过程中发现，该实验装置（如图１）虽然操作简单，但是实验成功率很低，实验现象很难达到如课本彩图中效果，本文在其他文献的基础上，对实验条件及产物的检验进行了探究，同样实验装置下操作简单，现象更加明显。

一、存在的问题

１．水蒸气的产生

教科书上用湿棉花中水的蒸发来产生水蒸气再与铁粉反应，经过实验发现用湿棉花产生水蒸气存在以下缺点：

（１）湿棉花的水分易挥发。铁与水蒸气反应的温度为１１７３ｋ［２］，而水的沸点为３７３ｋ［２］，远远低于该实验的反应温度，因此，当铁粉处温度达到反应温度时，湿棉花中的水分早已挥发没有了，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，湿棉花中的水会成滴流向试管中间加热部

位，由于试管中部温度较高，很易导致试管炸裂，实验不安全。２．产物的检验

教材中用点燃氢气泡的方式来检验产物是否为氢气，在实际操作过程中发现，由于产生的氢气量少，气泡很难被点燃，实验过程中也鲜有淡蓝色的火焰，无法检验产生的是氢气。

由于湿棉花中的水分挥发较快，在文献中，有用给装有水的烧瓶或大试管加热［３］，以提供持续稳定的水蒸气流，作为水蒸气的发生装置，但是由于产生的水蒸气过多水蒸气流较大，易导致试管炸裂，且导致产生的氢气浓度下降，现象也不明显。

对此实验很多教师都给予了关注，大多都是对水蒸气的产生进行了改进，采用固－固加热的实验装置，即用一种在加热条件下能产生或提供持续水蒸气流的固体与铁粉混合，在加热条件下反应，由固体受热提供水蒸气再与铁粉反应效果较好。实验装置如图２所示。文献主要选取了以下几种固体：湿沙子［４］，湿粉笔头［５］，硫酸铜晶体［６］，氢氧化钙固体［６］经过查阅文献及实际操作验证：选用氢氧化钙和铁粉混合加热时实验现象明显，安全性高，效果最好。

二、实验改进

１．对实验产物检验的改进

教材中用点燃氢气泡的方式来判断是否产生了氢气，在实际操作过程中发现，由于气体量少，气泡很难被点燃，也看不见淡蓝色火

焰［７］。针对这个问题，我们选择用小试管（１０×７５ｍｍ，或离心管），用排水法收集气体，收集满气体之后，将试管倒扣在水槽中一段时间，让气体中水蒸气充分冷凝，以提高氢气的纯度。通过验纯的方式（即是否有爆鸣声）来判断是否产生了氢气。（如图２装置）

２．对药品用量和加热条件进行了探索

在实验过程中我们发现药品的比例不同，反应的快慢、产生气体的速度以及气体的量都不一样。同时，由于这个实验各个学校实验条件不同，可以选择不同的加热条件，以达到最佳效果。另外，我们又做了系列对比实验，探究加热装置、反应物比例对实验的影响。氢氧化钙和铁粉质量比不同、加热条件不同时，实验现象对比如表中数据：

对比表中实验现象可知：选择用酒精灯加热，当氢氧化钙与铁粉的质量比为１．０∶１．０时（质量各为１．０ｇ）时效果最佳。预热时，导管口有气泡冒出，待受热均匀后，用外焰集中给药品部分加热，大约一分钟左右，大试管中间部分出现水珠，约一分半钟，导管口开始有气泡产生，用事先装满水的小试管去收集产生的气体，前后共收集了两小试管，收集满气体后，将试管倒扣在水槽中一段时间（让气体中的水蒸气充分冷凝，变成水以提高氢气的纯度）再用大拇指堵住试管口将试管移至火焰上方验纯，第一支试管出现爆鸣声（收集过早，氢气浓度太低），第二只试管中气体爆鸣声明

显，而且出现了火焰的冲击，将酒精灯焰震动。整个实验用时１０分钟左右。

用煤气灯加热时，选择氢氧化钙与铁粉的质量比为１．５∶０．５、１．０∶０．５或１．０∶１．０均可。加热约２０ｓ左右试管中出现水珠，５０ｓ左右便有气体从导管口处均匀产生，气体产生的速度较快，产生气体的量也较多，收集两试管气体后停止反应，将试管倒扣在水槽中一段时间后验纯，第一支试管无爆鸣声（几乎为水蒸气），第二只试管爆鸣声明显。整个实验时间为８ｍｉｎ左右，速度较快。

三、结论

１．铁粉与水蒸气反应的实验关键是要有持续高温的水蒸气流，本实验的最大特点就是用加热氢氧化钙分解产生水蒸气来替代湿棉花提供水蒸气，由于氢氧化钙的分解温度比较高，为５８０℃［７］，比较接近该反应温度，故能提供高温水蒸气使该实验现象更加明显。

２．用小试管收集气体（排水法）收集满以后，要将试管倒扣在水槽中一段时间，让气体中水蒸气充分冷凝，以提高氢气的纯度，检验时效果明显。

３．实验装置简单，各个学校可以根据实际的实验条件，选择不同的加热条件。反应速度较快，产生气体的量较多，实验成功率很高，安全性好，适合中学生操作。

参考文献

［１］宋心琦等．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，２００７．３：５０－５１

［２］马世昌．基础无机化学反应［ｍ］．西安：陕西人民教育出版社，１９９５：１００５

［３］英华，陈德培．铁与水蒸气反应的实验改进［ｊ］．ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，２００５，（４）：１８－２０

［４］赖陆峰，李春燕．铁与水蒸气反应实验改进［ｊ］．化学教育，２００８，（３）：６３－６４

［５］邓湘．关于铁与水蒸气反应实验改进的探索［ｊ］．中学生数理化（教与学·教研版），２００９，（５）：９３－９４［６］李芬．铁与水蒸气反应的实验改进［ｊ］．实验教学与仪器，２００８，（７－８）：４２－４４

［７］方双喜．铁与水蒸气反应实验改进［ｊ］．实验与创新思维，２０１０，（６）：１１－１２