鐵粉與硫黃反應實驗的改進

董克村 鄭曉婉

摘要：鐵粉與硫黃作為金屬及其化合物之間轉化的反應，是初中階段少有的無氧氣參與的氧化還原反應，是完善學生知識體系中化學反應的重要補充。遺憾的是，在浙教版教材中的實驗存在著較多問題從而導致很多教師不愿意在課堂上進行演示，教材中要求的“學生活動”更是無法落實。本改進實驗方案利用實驗室中常見易得的實驗材料對鐵粉與硫黃的反應進行改進，以達到實驗現象明顯、污染物顯著減少、操作性強等改進目的。

關鍵詞：鐵粉與硫黃；實驗；改進

文章編號：1008-0546（2021）10-0095-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.023

在浙江教育出版社出版（以下簡稱“浙教版”）的九年級上《科學》中，第二章第五節《物質的轉化》向學生們展示了鐵粉與硫黃發生的反應。但由于浙教版教材中設計的實驗方案存在諸多問題，給廣大一線科學教師在教學上帶來了極大的困惑與不便。很多科學教師在實際上課過程中都回避了這個實驗的的演示操作，教材中要求的“學生活動”更是無法落實。這就造成了課堂上的教師只能紙上談兵，而學生也只能死記硬背，這實在是科學實驗教學的一大遺憾。

一、教材中存在的問題

1.藥品接觸松散，往往難以完全反應

在實驗過程中，由于鐵粉與硫黃都是粉末狀固體，混合后放入試管時兩者接觸松散，勢必造成反應不完全。由此引發的實驗藥品浪費的問題也不容忽視，科學實驗除了要讓學生觀察相應的實驗現象，在這一過程中感受科學實驗的嚴謹性也應當注意。

2.無法確定鐵粉和硫黃的最佳質量比

在2015年6月第二次印刷時的浙教版教材中，關于鐵粉和硫黃的最佳質量比并未說明：取少量鐵粉放在白紙上，再取少量硫黃與鐵粉混合……。而在2018年6月第五次印刷時的浙教版教材中，教材的表述又變為：取少量鐵粉放在白紙上，再取一定量硫黃與鐵粉混合（鐵與硫黃的質量比約為7：5）……。教材從少量鐵粉與少量硫黃的定性取法，到鐵：硫黃=7：5的定量取法，編者對所取的鐵粉與硫黃的質量關系也一定做了反復的推敲。雖然在一定程度上進行了修正，但由于所選實驗裝置決定了鐵粉與硫黃的接觸必定是松散的，這就導致了混合反應時兩者最佳質量比不能確定。

3.伴隨有毒氣體，污染環境危害師生

在鐵粉與硫黃反應的實驗中，不得不提的便是硫黃會與空氣中的氧氣反應生成二氧化硫。由于二氧化硫具有強烈的刺激性氣味，且對人體有害，所以在課堂中進行教材所要求的“學生活動”顯然沒有考慮到教學實際。

4.反應會放出大量的熱，容易造成試管破裂

在反應的初始階段需要加熱混合物繼而引發反應的進行，因為鐵粉與硫黃的反應屬于放熱反應，所以后續過程并不需要加熱。在這一過程中，試管局部溫度是比較高的（如圖1），會有一定幾率發生試管破裂，從而造成不必要的傷害。

5.產物黏在試管不易取出

待鐵粉與硫黃反應結束后，需要倒出混合物，并用磁鐵吸引，從而判斷是否產生新物質。在實際操作過程中，我們往往會發現反應后的產物容易黏在試管底部，不容易倒出來（如圖2）。當我們用玻璃棒使其松動后，雖然不會黏在試管底部，但是在倒出產物時又會發現它很容易卡在試管口（如圖3）。為了不使產物的化學性質發生改變，我們只能借助物理方法取出產物，但是這些物理方法很容易造成試管的破裂（圖4為用玻璃棒在松動產物時使試管破裂）。如此一來，就無法用磁鐵吸引產物，影響了后續實驗中判斷是否產生了新物質。

二、改進思路

由于試管內裝有鐵粉與硫黃的加熱裝置會帶來較多問題，因此在設計改進實驗時主要對實驗裝置進行改進。一些觀點認為[1-3]，可以將反應裝置進行密閉處理，從而減少副產物二氧化硫帶來的危害。但是這樣的改進思路也大大提高實驗操作的難度，所以在對本實驗裝置進行改進時，我并沒有選擇密閉的裝置。為了減少硫黃與氧氣之間的反應，我選擇將鐵粉與硫黃在紙槽內搗實，減少鐵粉、硫黃及紙槽間的空隙，從而減少硫黃與氧氣反應產生的二氧化硫。

三、改進實驗材料

條形磁體一根；研缽一個；研杵一根；玻璃棒一根；石棉網一張；漏斗一個；膠帶、銅絲、濾紙若干；適量的鐵粉與硫黃。

四、改進實驗步驟

1.制作紙筒

將濾紙緊貼玻璃棒卷起，并用膠帶在底部封口（如圖5）。未封口的一端留作裝填藥品的入口，制成可裝藥品的紙筒。

2.制作銅架

利用玻璃棒制成的紙筒較細，不方便直接豎立在實驗臺上，此時可以利用銅絲制成如圖6所示的銅架，輔助紙筒豎立在實驗臺上。由于本實驗是放熱實驗，在實驗的過程中會放出大量的熱，所以選擇將銅架放置在石棉網上方，以此來更好地保護實驗臺。因為銅的熔點較高，所以此銅架可以反復使用。

3.將藥品裝入紙槽

在反應開始之前，先用磁鐵吸引研缽內的混合粉末，觀察到能夠吸起粉末，即可證明其中含有鐵粉（如圖7）。由于紙槽口較小，不便直接裝入藥品，可利用漏斗作為輔助工具，將混合粉末通過漏斗裝入紙槽（如圖8），并將其搗實放置于石棉網上的銅架內。需要說明的是，經過多次改變鐵粉與硫黃的混合比例后的實際效果發現：將鐵粉與硫黃以7：4的質量比混合，并在研缽內研細使兩者混合均勻，加熱后既可以觀察到預期的實驗現象，又能極大地減少二氧化硫的生成，是比較理想的混合比例。

4.進行反應

利用酒精燈外焰將玻璃棒一端燒至紅熱（此過程大約需要30秒左右），隨即迅速地將已經燒紅的玻璃棒一端伸入紙槽內（如圖9）。可以觀察到鐵粉與硫黃發生劇烈的反應，放出大量的熱，并伴隨紅光（如圖10），產生不能被磁鐵吸引的黑色固體（如圖11）。

五、改進實驗的優點

1.雖為微型實驗，但實驗現象卻十分明顯

紙筒空間有限，只能取少量的鐵粉與硫黃的混合物裝入紙筒內，所以這個改進實驗屬于微型實驗，客觀上也減少了藥品的消耗。鐵粉和硫黃發生的反應是劇烈的放熱過程，雖然兩者混合后質量不多，但從實驗現象來看，兩者發生反應后的現象依然十分明顯。

2.實驗改進后產生的污染物顯著減少

在對實驗進行改進后，產生的污染物顯著減少，具體表現在教室中刺激性氣味幾乎聞不到。究其原因，主要是以下兩個方面：一方面在于微型實驗的先天優勢，改進實驗所取的藥品量比較少，無形中也就減少了產生二氧化硫的原材料。另一方面在于改進實驗中簡易的“密閉效果”：先將藥品研細混合均勻，再裝入紙筒后搗實，減少鐵粉、硫黃及紙槽間的空隙，意味著硫黃與更少的氧氣接觸，從而達到減少二氧化硫的生成。

3.實驗改進后操作簡便

要減少鐵粉與硫黃在反應過程中產生的副產物二氧化硫，很多文獻提到的改進思路都是利用密閉容器來達到改進目的。本改進實驗摒棄了這一改進思路，因為無論是在哪一種密閉容器內進行反應，制作適合的密閉容器以及對容器內的混合物進行加熱都會提升實驗的操作難度。在這個改進實驗方案中，除了銅架需要教師課前準備外，其他器材均可通過學生在課堂上的活動來制作完成，在操作過程中不再需要擔心試管是否會因劇烈的反應而破裂，也無需絞盡腦汁地考慮如何取出黏在試管上的黑色固體。當實驗具備可操作性的條件時，教師才能真正地將教材中的“學生活動”落到實處。

參考文獻

[1]齊俊林，宋艷芝.全封閉式鐵與硫的反應簡易演示器[J].化學教育，2010（3）：91

[2]孫亮.硫粉與鐵粉化合的實驗改進[J].化學教與學，2016（10）：94

[3]李躍春.關于鐵與硫黃反應演示實驗的改進[J].實驗教學與儀器，2002（5）：15