鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

摘要：認(rèn)為教材中鐵粉與水蒸氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)選用濕棉花作為水的載體，看上去易操作，事實(shí)上實(shí)驗(yàn)成功率低。選用吸附性能高、熱穩(wěn)定性好的硅膠作水的載體，現(xiàn)象更加明顯，實(shí)驗(yàn)成功率更高。

關(guān)鍵詞：鐵粉；水蒸氣；硅膠；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005–6629(2012)5–0049–02 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題的提出

高中化學(xué)必修（1）人教版（2007年3月第3版，以下簡(jiǎn)稱教科書）第50頁(yè)第三章金屬及其化合物，為了研究金屬與酸和水的反應(yīng)相關(guān)知識(shí)，指導(dǎo)學(xué)生探究鐵能否與水蒸氣反應(yīng)，教科書中以科學(xué)探究的形式出現(xiàn)鐵粉與水蒸氣反應(yīng)的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)裝置。

教科書中采用濕棉花作為水蒸氣源，用酒精燈加熱還原鐵粉，看上去該實(shí)驗(yàn)的可操作性強(qiáng)。事實(shí)上，我們?cè)谡n堂演示實(shí)驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，用該裝置做實(shí)驗(yàn)，成功率低，現(xiàn)象不明顯。這是由于棉花的著火點(diǎn)低，集中對(duì)其加熱會(huì)有燃燒的可能；二是加熱濕棉花時(shí)，濕棉花中的水分易揮發(fā)。查閱資料得知，鐵與水蒸氣反應(yīng)的溫度為1173 K[1]，而水的沸點(diǎn)為373 K[1]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該實(shí)驗(yàn)所需的反應(yīng)溫度。因此，當(dāng)鐵粉達(dá)到反應(yīng)溫度時(shí)，濕棉花中的水分很可能早已揮發(fā)了。

2 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

對(duì)照上面所述的實(shí)驗(yàn)缺陷，要想使該實(shí)驗(yàn)效果明顯，關(guān)鍵在于水蒸氣的制得。在實(shí)驗(yàn)探索中，起初考慮加熱裝有水的大試管或燒瓶，以提供持續(xù)穩(wěn)定的水蒸氣流，但由于產(chǎn)生的水蒸氣過(guò)多，氣流較大，易導(dǎo)致試管炸裂，且產(chǎn)生的氫氣濃度下降，現(xiàn)象很不明顯。針對(duì)以上問(wèn)題，想到了用固—固加熱的實(shí)驗(yàn)裝置，即用一種在加熱條件下能產(chǎn)生或提供持續(xù)水蒸氣流的固體與鐵粉混合，由固體受熱提供水蒸氣再與鐵粉反應(yīng)。這種載體要求吸水性能要好，經(jīng)過(guò)閱讀大量文獻(xiàn)和思考總結(jié)，采用粗孔硅膠顆粒為載體（教科書中第76頁(yè)有粗孔硅膠顆粒圖片），粗孔硅膠又叫C型硅膠，是一種高活性吸附材料，（吸水量：塊狀≥76 % 、球狀≥85 %、微球狀≥90 %）屬非晶態(tài)物質(zhì)，其化學(xué)分子式為mSiO2·nH2O。不溶于水和任何溶劑，無(wú)毒無(wú)味，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。粗孔硅膠的化學(xué)組分和物理結(jié)構(gòu)，決定了它具有許多特點(diǎn)：吸附性能高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、有較高的機(jī)械強(qiáng)度等。加熱到100 ℃以上還可以穩(wěn)定住水分。而且，浸泡過(guò)的硅膠顆粒在高溫下產(chǎn)生的水蒸氣，能不斷與敷在表面的鐵粉充分接觸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。這樣改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)速率快，效果顯著。

（1）實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

酒精燈、鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、熱水、還原鐵粉、硅膠顆粒、大試管、肥皂水、導(dǎo)管、燒杯

（2）實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖1 鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

（3）實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象

①將硅膠顆粒放入燒杯中，用熱水浸潤(rùn)（若能提前一天將硅膠顆粒放入水中浸泡，效果會(huì)更好）。

②待實(shí)驗(yàn)時(shí)再撈出10顆濕潤(rùn)后的硅膠顆粒與干燥的大約1~2 g還原鐵粉混合，然后輕輕放入硬質(zhì)玻璃試管底部。

③搭建圖1所示的裝置，直接用酒精燈對(duì)試管底部進(jìn)行加熱，硅膠顆粒吸收的水在高溫下變成水蒸氣不斷與還原鐵粉接觸反應(yīng)，3分鐘后便可以觀察到氫氣肥皂泡不斷冒出或用火柴點(diǎn)燃肥皂水表面的氣泡會(huì)有輕微的爆鳴聲。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬世昌.基礎(chǔ)無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)[M].西安：陜西人民教育出版社，1995：1005.

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