硫和鐵反應實驗的新設計

司二偉 馮高峰

摘要： 針對硫和鐵反應的實驗充分暴露在空氣中且沒有采取無害化處理的問題，設計并改進實驗裝置，具體為：通入氮氣排除體系中氧氣的干擾，避免實驗對環(huán)境污染；對鐵粉除雜確保只有鐵和硫參與反應；利用磁鐵實現硫和鐵的分離；通過檢驗生成物中鐵元素的價態(tài)，確定生成物的成分。改進后的實驗設計嚴謹，裝置簡單，取材方便，能夠有效防止有毒氣體的生成，方便用于實驗教學。

關鍵詞： 鐵和硫反應； 實驗設計； 實驗探究； 磁鐵; 鐵元素價態(tài)

文章編號： 1005-6629（2023）04-0067-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》將“硫的主要性質”寫入了“常見無機物及其應用”的內容要求中，要求通過實驗探究了解硫的主要性質，認識物質在生產中的應用和對生態(tài)環(huán)境的影響［1］。硫的性質是高中化學階段考察的重要內容之一，教材對硫的性質設置了多個實驗。新人教版普通高中化學教材［2］必修第二冊第五單元第一節(jié)“硫及其化合物”中提到，硫能與許多金屬單質發(fā)生化學反應生成硫化物，化學性質比較活潑。在正文部分沒有針對硫與金屬的反應設計相應的實驗活動進行探究，僅在教材實驗活動5中介紹到“將0.5g硫粉和1.0g鐵粉均勻混合，放在石棉網（或陶土網）上堆成條狀。用灼熱的玻璃棒觸及混合粉末的一端，當混合物呈紅熱狀態(tài)時，移開玻璃棒”，見圖1。

針對此實驗存在的不合理部分提出幾點疑問，見表1。

綠色化學理念［3］指出，防治污染的最佳途徑就是從源頭消除污染，傳統(tǒng)化學中那些破壞環(huán)境的反應將逐漸被環(huán)境友好的化學反應所替代，體現了化學學科發(fā)展的新價值觀。將綠色化學［4］應用到教學實踐中，有利于幫助學生深刻理解綠色化學的內涵和重要價值，培養(yǎng)學生的環(huán)保意識。“科學態(tài)度與社會責任”核心素養(yǎng)要求化學學科體現節(jié)約資源、保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識。因此，實驗設計思路應滲透綠色化學思想，并體現安全意識和嚴謹求實的科學態(tài)度，據此提出幾項可行性的設計，見表2。

2? 文獻概述

針對硫和鐵的反應存在的問題，不少學者設計了實驗裝置，提出優(yōu)化方案，大多改進方案從實驗裝置方面設想，見表3。可以發(fā)現，大多研究者的實驗裝置傾向于簡易性、生活化，指向純粹的實驗改進，較少學者將實驗與教學相結合。在化學教學中，實驗應服務于教學，體現教學思想，彰顯學科價值和育人價值。因此，在朝著更符合核心素養(yǎng)和綠色化學理念的實驗教學邁進的同時，需要考慮以下幾個方面：（1）設計的硫與鐵實驗裝置的目的不應該只是培養(yǎng)學生的動手能力，還需要在課堂上培養(yǎng)學生不斷分析、推理的證據意識，滲透化學學科核心素養(yǎng)；（2）教材中設置本實驗的目的是通過硫與鐵的實驗認識到硫具有氧化性，且硫單質的氧化性小于氧單質和氯單質的氧化性。但以往的實驗設計較側重于硫和鐵本身的反應，沒有思考該實驗在教材中所起的作用。

案例研究發(fā)現，大多數學者的研究是利用簡單裝置使硫和鐵的反應在密閉體系中進行，避免暴露在空氣中，同時利用氫氧化鈉溶液吸收尾氣。但實驗裝置內還存在一定量空氣，在反應過程中會生成有毒氣體。因此，有必要對硫與鐵的反應裝置做進一步的改進。

3? 硫與鐵的實驗設計

3.1? 設計思路

對實驗成功的要素進行分析，見圖2。從避免二

氧化硫的生成、需要得到目標產物——硫化亞鐵這兩個角度提出合理化的措施，然后再進行細分優(yōu)化。結合物質變化的多方位宏觀表現和離子反應的微觀變化需分析產物中鐵元素的化合價；在設計過程中要考慮培養(yǎng)學生基于證據對物質的組成進行猜測、假設的辯證思維，并根據假設提出可行性的措施，以培養(yǎng)學生發(fā)現和提出有探究價值問題的能力，提高環(huán)保意識。

3.2? 實驗原理

在加熱條件下，鐵粉和硫粉受熱生成黑色的硫化亞鐵，化學方程式：

S+Fe△FeS

檢驗二價鐵，稀硫酸與硫化亞鐵反應：

FeS+H2SO4FeSO4+H2S↑

3.3? 實驗儀器及試劑

儀器和材料：鐵架臺、酒精燈、導管、硬質玻璃管、燒杯、球形干燥管、膠皮管、充滿氮氣的氣球、小木塊

藥品：3mol/L硫酸溶液、鐵粉、硫粉、2mol/L氫氧化鈉溶液

3.4? 實驗裝置的設計

實驗裝置如圖3所示，由氧氣排出裝置、硫和鐵反應裝置、防倒吸裝置組成。為避免生成污染性氣體，利用氣球通入氮氣，通過玻璃旋塞調整氣流大小排出體系中的空氣，防止實驗中氧氣與硫發(fā)生反應而產生二氧化硫。

3.5? 實驗步驟及現象

（1） 組裝實驗儀器，檢查裝置氣密性。將球形干燥管伸入到水槽液面以下，左側導管口套上氣球，酒精燈微加熱硬質玻璃管，發(fā)現球形干燥管口有氣泡冒出，左側氣球鼓起來且不漏氣。停止加熱恢復至室溫后，球形干燥管下端口形成一段水柱，氣球變癟，則說明氣密性完好。

（2） 裝入藥品。稱量0.6g硫粉和1.2g鐵粉，混勻后放置在硬質玻璃管的中央，分散鋪平，方便觀察。

（3） 制作氮氣球。取下導管左端的氣球，借助氮氣瓶、打氣槍，向氣球中充入氮氣，將充滿氮氣的氣球重新套在裝置左端。

（4） 用磁鐵吸引鐵粉（如圖3）。鐵粉受到吸引聚集在硬質玻璃管內部的上面，實現硫單質和鐵單質分離。

（5） 鼓入氮氣。調整玻璃旋塞，緩慢釋放氣球里面的氮氣，排出裝置里面的空氣，干燥管出氣口有均勻連續(xù)氣泡冒出，關閉旋塞。

（6） 點燃酒精燈。對硫粉加熱4分鐘，產生硫蒸氣，與鐵粉接觸發(fā)生反應，有紅熱現象且反應速度較快，證明反應較為強烈，吸附在硬質玻璃管內壁上方的鐵粉量逐漸減少，有黑色物質生成。

（7） 實驗結束。待冷卻至室溫，從右至左拆除裝置，將充分反應后的物質取出，搗散后放在潔凈干燥的濾紙上面以備用。

3.6? 二價鐵的檢驗

用磁鐵使濾紙上面的生成物與鐵分離，搭建裝置，見圖4，檢查裝置氣密性。將分離出鐵粉后的固體加入到錐形瓶中，向分液漏斗中加入一定體積的稀硫酸溶液（3mol/L），向燒杯中加入氫氧化鈉溶液以處理產生的硫化氫氣體。將分液漏斗中的稀硫酸慢慢滴入錐形瓶中，立即發(fā)生反應，并放出大量氣體，從導管通入燒杯被氫氧化鈉溶液吸收。取反應后的溶液各3mL分別加入到甲、乙試管中。甲試管滴加兩滴鐵氰化鉀溶液；乙試管滴入硫氰化鉀溶液，接著加入5滴30%過氧化氫溶液。甲試管中發(fā)現特征藍色沉淀；乙試管加入硫氰化鉀溶液沒有明顯變化，繼續(xù)加入過氧化氫溶液，顏色變成血紅色。兩種方法均證明有二價鐵離子產生。

通過上述一系列實驗，保證設計的硫和鐵反應的實驗裝置沒有污染性氣體排放到空氣中，并且還檢驗了生成物中鐵元素的價態(tài)，證明產物是硫化亞鐵。

4? 結語

本文利用簡單的實驗儀器設計密閉體系中硫粉和鐵粉反應的實驗裝置，利用氮氣化學性質穩(wěn)定的特點有效地從源頭消除了實驗中產生污染的問題。巧妙運用磁鐵分離鐵粉和硫粉從而多方位感受物質變化的過程，通過檢驗反應生成物是硫化亞鐵豐富了教材的實證研究。實驗設計思路中滲透“科學探究與創(chuàng)新意識”和“科學態(tài)度與社會責任”等素養(yǎng)，反映了素質教育改革的整體方向。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2018： 12.

［2］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學·必修第二冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 8.

［3］吳俊明， 吳敏. 化學的人本思維、綠色思維及其教學［J］. 化學教學， 2019， （12）： 8～14，92.

［4］高翼. 核心素養(yǎng)背景下高中化學綠色實驗教學探究［J］. 文淵（高中版）， 2019， （5）： 550.

［5］李元， 曹波. 鐵和硫反應的實驗裝置的改進［J］. 化學教學， 1997， （9）： 9.

［6］齊俊林， 劉廣媛. 鐵與硫反應實驗的改進［J］. 化學教學， 2002， （9）： 8.

［7］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， 31（3）： 91.

［8］王建芬， 齊俊林. 激光筆照射引發(fā)鐵與硫反應的實驗設計［J］. 化學教學， 2016， （7）： 54～56.

［9］楊麗娟， 張麗敏. 鐵與硫反應實驗的新設計［J］. 化學教學， 2022， （4）： 84～86.