有關鐵在氧氣中燃燒實驗問題探析*

潘國榮 陳正美

（貴州省雷山縣第三中學 貴州 雷山 557199）

鐵在氧氣中燃燒實驗是初中化學的一個重要的演示實驗和學生實驗，也是一個難點實驗，涉及到氧氣和鐵兩種單質的化學性質。看似簡單的實驗，卻蘊含著豐富的知識與技能內涵。下面以問題的形式進行探析。

一、鐵在空氣中能燃燒嗎？

燃燒是物質發生發光、發熱的劇烈的化學反應。通常需要具備：足量的可燃物與助燃劑、溫度達到著火點。這三個條件同時滿足才能產生燃燒現象。這里的溫度，不一定是環境的溫度，可以是環境提供熱能或反應提供熱能積累達到的溫度。

劉蕊和丁偉［1］將還原性鐵粉灑向煤氣燈的燈焰，鐵粉顆粒與燈焰接觸后，產生明亮火星。在地上鋪一張報紙，在空氣中傾倒試管中的納米鐵粉。看到：倒出來的鐵粉在空氣中自發出現紅熱現象，落在報紙上可將報紙引燃。徐昌學［2］老師把鐵粉灑在膠布的沾膠面上，在空氣中點燃膠布，抖動膠布，可以看到白光閃閃，很多白光點往下落，現象十分明顯。由此可見，很細的鐵粉在空氣中與氧氣反應是可以產生燃燒的現象，但不是持續燃燒。

純鐵的熔點［3］是 1530℃、沸點是 3000℃，很高。 生鐵的含碳量 2%～4.3%，熔點是 1100℃～1300℃。鋼的含碳量 0.03～2%，熔點是 1300℃～1500℃。 氧氣在與鐵反應時，只能擴散在鐵表面上進行，其燃燒形式是表面燃燒［1］。鐵絲由于表面積小，空氣中氧氣含量低，使鐵絲與氧氣反應不劇烈，不能產生燃燒現象。

二、鐵絲在氧氣中燃燒為什么會火星四射？

木炭在氧氣中燃燒產生火星四射的現象，原因是由于木炭內部的碳燃燒產生氣體，氣體體積在受熱時膨脹，使固體或液體向四周飛濺形成爆裂物造成的現象。實驗用的鐵絲通常并不是純凈的鐵，而是含有一定量的碳及微量的硫、磷等。鐵燃燒時，鐵里的碳會與氧氣或熔融狀態的鐵的氧化物反應生成一氧化碳與二氧化碳氣體，這些氣體在一千多度的高溫下體積急劇膨脹，推動其周圍呈熔融狀態的鐵及其氧化物向四周飛濺，因此，就有了火星四射的現象產生。含碳量越高的鐵（或鋼）絲，火星四射越明顯［4－8］。

純凈的鐵燃燒時沒有氣體生成，是沒有火星四射現象的。許多老師把火星四射的程度作為衡量鐵絲燃燒成功與否的標志，這是錯誤的觀念。從生鐵及其合金的熔點來看，由于含碳量高，熔點降低，更容易熔化而增加與氧氣的接觸面，并且有氣體的推動使反應變得容易和劇烈，所以用生鐵或鋼做鐵在氧氣中燃燒更容易成功。這是許多老師通過實驗所證實了的。

三、鐵在氧氣中燃燒掉下或飛濺出的黑色固體物質是什么？

鐵的氧化物在標準狀況下的生成焓［9］是：FeO為272.04 kJ·mol－1，Fe2O3為 825.5kJ·mol－1，Fe2O3·H2O 為1117.96 kJ·mol－1，Fe3O4為 1118.4kJ·mol－1。 從標準生成焓來看，鐵在潮濕空氣中與氧氣和水反應生成Fe2O3·H2O時，在能量上是最有利的。所以，我們不難理解，在常溫下，在潮濕空氣中鐵生銹時，主要產物是Fe2O3·H2O（當然，鐵銹的成份要復雜得多）了。

鐵的氧化物的熔點［3］是：FeO 為 1420℃，Fe2O3為1560℃并分解，Fe3O4為1594℃并分解。從鐵的氧化物熔點推知，由于FeO的熔點低，當氧氣與鐵反應時，首先生成FeO，由于FeO熔化后與氧氣接觸面增大，會進一步與氧氣反應生成Fe2O3，隨著溫度升高Fe2O3會分解生成 Fe3O4。 吳國慶［10］教授、鞠東勝與王金龍［11］老師等用熱力學計算的方法也證明，鐵在氧氣中燃燒最后產物應該是Fe3O4。Fe3O4的熔點比鐵高，因此，熔融的Fe3O4會夾雜著液態鐵一起飛濺或落下。這個結論已經被許多老師［4－5］用實驗所證實了。

四、多粗的鐵絲可以在氧氣中燃燒？

從多位老師的實驗［8，12－15］探究結果看， 從小于0.18mm大到2.0 mm的鐵絲都能夠在氧氣里燃燒，通常是 0.2－0.5 mm 比較合適。細鐵絲通常要用 2－3根擰在一起才不容易燃燒熔斷，連續燃燒時間長；太粗的鐵絲不容易引燃，需要氧氣也多，實驗成功率低。

五、鐵絲繞成螺旋狀的目的是什么？

許多人［5，12，15］認為，鐵絲繞成螺旋狀的原因是：“使后面的鐵絲更靠近燃燒點去吸收熱量，從而被引燃；增大與氧氣的接觸面積，使反應更容易進行”及其類似的觀點。其實，這種解釋是不可靠的。同一根鐵絲固體的表面積是固定的，不會因為繞成螺旋狀而增加，相反，如果繞得過于緊密讓鐵表面接觸，反而降低了與氧氣的接觸面積。

細鐵絲燃燒時，反應非常劇烈，向上上升速度太快，在觀察的同時，還必須快速向集氣瓶里不斷伸入細鐵絲才不容易熄滅。使用坩堝鉗或攝子夾持鐵絲，操作起來不容易協調、難度大，不容易掌握和控制。鐵絲繞成螺旋狀后，燃燒上升速度減慢，容易控制，便于觀察。李奇［15］老師為此設計三組實驗進行了對比。因此，鐵絲繞成螺旋狀的目的應該是：“防止細鐵絲因燃燒劇烈而迅速上升到集氣瓶內氧氣低濃度區而熄滅，利于操作和觀察。”

六、如何引燃鐵絲？

鐵的熔點很高，而且是熱的良導體，其著火點又是很高的，因此，通常要用其它可燃物與氧氣劇烈反應釋放熱量來使鐵達到著火點。引燃鐵絲的方法有多種，教材與老師們改進報道出來的有以下幾種：（1）直徑小于0.18 mm的細鐵絲 （如紗窗鐵絲），打磨光亮后，加熱到紅熱時立即放入氧氣中即可燃燒［14，16］；（2）一般情況下按課本裝置用火柴引燃；（3）有改進用酒精或無水乙醇引燃的［17－18］；（4）有用木炭引燃的［8，19］；（5）有用鎂條引燃的［13］。

七、如何防止鐵絲在氧氣中燃燒時熔融物落下燒裂集氣瓶底？

鐵絲在氧氣中燃燒非常劇烈，熔融物的溫度達到1500℃以上，這樣高溫的物體直接落到瓶底與玻璃接觸，會造成玻璃瓶底受熱不均而炸裂。按照教材的方法，可以在瓶底鋪一層細沙或盛1cm深度以上的水，防止高溫熔觸物直接與玻璃瓶底接觸。但是不容操作，效果也不是很好。為此，胥光勇［12］老師用濕的硬紙片卡在瓶底作了改進，效果較好。嚴志平與吳就良［20］老師設計用燃燒匙接住熔融物來輔助水的作用一起，以確保瓶底不燒裂。

八、是否一定要用坩堝鉗或鑷子夾持鐵絲？

規范的操作是應該用坩堝鉗或攝子夾持鐵絲的。但是，學生實驗時，由于情緒不穩定，用坩堝鉗或鑷子夾持鐵絲時，容易抖動不穩，經常出現把鐵絲抖出瓶口或接觸瓶壁，甚至直接抖落到瓶底的現象。為了便于操作成功，建議取長一點的鐵絲做實驗，讓學生直接用手拿住鐵絲的一端進行操作。

九、是否一定要把鐵絲打磨光亮？

部分老師［4，16］和我們通過實驗驗證，細鐵絲表面有一些油漆或少量銹點，并不影響鐵絲燃燒的實驗效果。因此，一般情況下，可以直接使用不打磨的鐵絲進行燃燒實驗。當然，如果鐵絲銹斑面積太大，封住鐵絲的表面太長，就會影響燃燒的效果了。通常，為了確保實驗效果，就要把鐵絲打磨光亮一些。

十、鐵絲在氧氣中燃燒是否一定要純氧？

根據喬金鎖與劉冷［8］老師的研究，使用直徑 0.23mm鋼絲2根擰在一起、直徑0.20mm鐵絲3根擰在一起，在氧氣體積分數為55%以上的集氣瓶中都可以燃燒。而直徑0.38mm鐵絲1根需要在氧氣體積分數為60%以上的集氣瓶中才能夠燃燒。由此可見，鐵絲在氧氣中燃燒不需要純氧。鐵絲細，氧氣體積分數低一些也可以燃燒；鐵絲越粗，燃燒需要氧氣體積分數與總量就越高。

參考資料

［1］劉蕊，丁偉.“固體燃燒”相關問題釋疑 ［J］.化學教學，2010，（2）：75－77

［2］徐昌學.鐵在氧氣中燃燒實驗的創新設計［J］.時代人物，2007，（2）：117－118

［3］劉光啟等主編.化學化工物性數據手冊：無機卷［M］.北京：化學工業出版社，2002

［4］高志清.對鐵絲在氧氣中燃燒實驗的幾個問題的探討［J］.化學教學，1995，（9）：42

［5］胡玉閣.師生暢談鐵絲在氧氣中燃燒實驗［J］.中學生理科月刊，1997，20（11）：8

［6］錢百成.鐵絲在氧氣中燃燒為什么會火星四射［J］.化學教學，2007，（2）：8

［7］崔靜芝.奇妙的火星四射［J］.農村青少年科學探究，2010，（9）：6

［8］喬金鎖，劉冷.鐵絲在氧氣中燃燒的研究［J］.化學教育，2010，（10）：76－79

［9］梁英教，車蔭昌主編.無機物熱力學數據手冊［M］.沈陽：東北大學出版社，1993

［10］吳國慶.鐵絲在氧氣里燃燒的產物［J］.中學化學教學參考，2002，（6）：9－10

［11］鞠東勝，王金龍.鐵與氧氣反應產物的討論［J］.化學教育，2013，（4）：85－86

［12］胥光勇.做好鐵絲在氧氣中燃燒實驗的關鍵［J］.化學教學，1993，（3）：23－24

［13］陳紅梅.“鐵在氧氣中燃燒”實驗的改進［J］.科學教育，2003，9（3）：25

［14］劉敬華，何志民.鐵絲在氧氣中燃燒的實驗改進［J］.化學教育，2007，（10）：49

［15］李奇.鐵絲在氧氣中燃燒實驗的討論與改進［J］.新課程導學，2012，（7）：22

［16］譚啟能.鐵在氧氣中燃燒實驗的改進［J］.化學教學，1992，（5）：22

［17］駱仁新.用酒精引燃鐵絲在氧氣中燃燒［J］.化學教學，2008，（12）：14

［18］譚祥中，涂紅梅.鐵絲在氧氣中燃燒實驗的改進［J］.化學教學，1992，（5）：22

［19］ 孔祥輝.《鐵絲燃燒實驗》操作的探究與更新［J］.教學儀器與實驗，2003，（1）：17

［20］ 嚴志平等.用燃燒匙做鐵絲在氧氣中燃燒實驗［J］.實驗教學與儀器，2000，（5）：18