鐵與水蒸氣反應實驗條件的探究

郭 琦 王賢明

（1江蘇教育學院生命科學與化學學院 江蘇 南京 210013；2南京龍文信息咨詢有限公司 江蘇 南京 210013）

人教版必修Ⅰ中采用濕棉花作為水蒸氣源，用酒精燈加熱還原鐵粉的反應，并通過氫氣肥皂泡檢驗氫氣的產生［1］。在中學教學過程中發現，該實驗裝置（如圖1）雖然操作簡單，但是實驗成功率很低，實驗現象很難達到如課本彩圖中效果，本文在其他文獻的基礎上，對實驗條件及產物的檢驗進行了探究，同樣實驗裝置下操作簡單，現象更加明顯。

圖1

一、存在的問題

1．水蒸氣的產生

教科書上用濕棉花中水的蒸發來產生水蒸氣再與鐵粉反應，經過實驗發現用濕棉花產生水蒸氣存在以下缺點：

（1）濕棉花的水分易揮發。鐵與水蒸氣反應的溫度為 1173K［2］，而水的沸點為 373K［2］，遠遠低于該實驗的反應溫度，因此，當鐵粉處溫度達到反應溫度時，濕棉花中的水分早已揮發沒有了，導致水蒸氣量不足，產生的氫氣量極少，現象不明顯。

（2）在加熱過程中，濕棉花中的水會成滴流向試管中間加熱部位，由于試管中部溫度較高，很易導致試管炸裂，實驗不安全。

2．產物的檢驗

教材中用點燃氫氣泡的方式來檢驗產物是否為氫氣，在實際操作過程中發現，由于產生的氫氣量少，氣泡很難被點燃，實驗過程中也鮮有淡藍色的火焰，無法檢驗產生的是氫氣。

由于濕棉花中的水分揮發較快，在文獻中，有用給裝有水的燒瓶或大試管加熱［3］，以提供持續穩定的水蒸氣流，作為水蒸氣的發生裝置，但是由于產生的水蒸氣過多水蒸氣流較大，易導致試管炸裂，且導致產生的氫氣濃度下降，現象也不明顯。

對此實驗很多教師都給予了關注，大多都是對水蒸氣的產生進行了改進，采用固－固加熱的實驗裝置，即用一種在加熱條件下能產生或提供持續水蒸氣流的固體與鐵粉混合，在加熱條件下反應，由固體受熱提供水蒸氣再與鐵粉反應效果較好。實驗裝置如圖2所示。文獻主要選取了以下幾種固體：濕沙子［4］，濕粉筆頭［5］，硫酸銅晶體［6］， 氫氧化鈣固體［6］經過查閱文獻及實際操作驗證：選用氫氧化鈣和鐵粉混合加熱時實驗現象明顯，安全性高，效果最好。

圖2

二、實驗改進

1．對實驗產物檢驗的改進

教材中用點燃氫氣泡的方式來判斷是否產生了氫氣，在實際操作過程中發現，由于氣體量少，氣泡很難被點燃，也看不見淡藍色火焰［7］。針對這個問題，我們選擇用小試管（10×75mm，或離心管），用排水法收集氣體，收集滿氣體之后，將試管倒扣在水槽中一段時間，讓氣體中水蒸氣充分冷凝，以提高氫氣的純度。通過驗純的方式（即是否有爆鳴聲）來判斷是否產生了氫氣。（如圖2裝置）

2．對藥品用量和加熱條件進行了探索

在實驗過程中我們發現藥品的比例不同，反應的快慢、產生氣體的速度以及氣體的量都不一樣。同時，由于這個實驗各個學校實驗條件不同，可以選擇不同的加熱條件，以達到最佳效果。另外，我們又做了系列對比實驗，探究加熱裝置、反應物比例對實驗的影響。

氫氧化鈣和鐵粉質量比不同、加熱條件不同時，實驗現象對比如表中數據：

表 氫氧化鈣與鐵粉比例不同時的實驗現象

對比表中實驗現象可知：選擇用酒精燈加熱，當氫氧化鈣與鐵粉的質量比為 1．0∶1．0 時 （質量各為 1．0g）時效果最佳。預熱時，導管口有氣泡冒出，待受熱均勻后，用外焰集中給藥品部分加熱，大約一分鐘左右，大試管中間部分出現水珠，約一分半鐘，導管口開始有氣泡產生，用事先裝滿水的小試管去收集產生的氣體，前后共收集了兩小試管，收集滿氣體后，將試管倒扣在水槽中一段時間（讓氣體中的水蒸氣充分冷凝，變成水以提高氫氣的純度）再用大拇指堵住試管口將試管移至火焰上方驗純，第一支試管出現爆鳴聲（收集過早，氫氣濃度太低），第二只試管中氣體爆鳴聲明顯，而且出現了火焰的沖擊，將酒精燈焰震動。整個實驗用時10分鐘左右。

用煤氣燈加熱時，選擇氫氧化鈣與鐵粉的質量比為1．5∶0．5、1．0∶0．5 或 1．0∶1．0 均可。 加熱約 20s 左右試管中出現水珠，50s左右便有氣體從導管口處均勻產生，氣體產生的速度較快，產生氣體的量也較多，收集兩試管氣體后停止反應，將試管倒扣在水槽中一段時間后驗純，第一支試管無爆鳴聲（幾乎為水蒸氣），第二只試管爆鳴聲明顯。整個實驗時間為8min左右，速度較快。

三、結論

1．鐵粉與水蒸氣反應的實驗關鍵是要有持續高溫的水蒸氣流，本實驗的最大特點就是用加熱氫氧化鈣分解產生水蒸氣來替代濕棉花提供水蒸氣，由于氫氧化鈣的分解溫度比較高，為580℃［7］，比較接近該反應溫度，故能提供高溫水蒸氣使該實驗現象更加明顯。

2．用小試管收集氣體（排水法）收集滿以后，要將試管倒扣在水槽中一段時間，讓氣體中水蒸氣充分冷凝，以提高氫氣的純度，檢驗時效果明顯。

3．實驗裝置簡單，各個學校可以根據實際的實驗條件，選擇不同的加熱條件。反應速度較快，產生氣體的量較多，實驗成功率很高，安全性好，適合中學生操作。

［1］ 宋心琦等．普通高中課程標準實驗教科書化學1［M］．北京：人民教育出版社， 2007．3： 50－51

［2］ 馬世昌．基礎無機化學反應［M］．西安：陜西人民教育出版社，1995：1005

［3］ 英華，陳德培 ．鐵與水蒸氣反應的實驗改進［J］．Educational Equipment And Experiment， 2005，（4）： 18－20

［4］ 賴陸峰，李春燕．鐵與水蒸氣反應實驗改進［J］．化學教育，2008，（3）：63－64

［5］ 鄧湘．關于鐵與水蒸氣反應實驗改進的探索［J］．中學生數理化（教與學·教研版），2009，（5）：93－94

［6］ 李芬．鐵與水蒸氣反應的實驗改進［J］．實驗教學與儀器，2008，（7－8）：42－44

［7］ 方雙喜．鐵與水蒸氣反應實驗改進［J］．實驗與創新思維，2010，（6）：11－12