陸麗萍 姜跟華

關(guān)鍵詞：鐵在氧氣中燃燒;簡約化;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1問題提出

“鐵絲在氧氣中燃燒”是關(guān)于氧氣化學(xué)性質(zhì)的重要實(shí)驗(yàn)，也是初中化學(xué)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一。人教版九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第34頁實(shí)驗(yàn)2-4如是描述：“把兩根光亮的細(xì)鐵絲分別盤成螺旋狀。取一根在酒精燈上燒至紅熱，觀察現(xiàn)象;另取一根，在下端系一根火柴，點(diǎn)燃火柴，待火柴快燃盡時(shí)，插入盛有氧氣的集氣瓶中，觀察現(xiàn)象”。該實(shí)驗(yàn)對(duì)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)氧氣化學(xué)性質(zhì)、燃燒劇烈程度與氧氣濃度有關(guān)等知識(shí)有很好的作用。然而筆者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)如下一些問題，例如：（1）難以把握“待火柴快燃盡時(shí)，插入盛有氧氣的集氣瓶中”的時(shí)機(jī)，操作上有點(diǎn)無所適從;（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)鐵絲經(jīng)常不能燃燒，或燃燒時(shí)間非常短，成功率不高，影響學(xué)生觀察;（3）鐵絲燃燒后期，坩堝鉗難以將剩余的鐵絲繼續(xù)向下伸入，影響繼續(xù)燃燒等。為此決定對(duì)該實(shí)驗(yàn)作改進(jìn)研究，以期能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2已有改進(jìn)

針對(duì)該實(shí)驗(yàn)存在的問題，以“鐵燃燒”“鐵絲燃燒”等關(guān)鍵詞分別在中國知網(wǎng)、百度學(xué)術(shù)等數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，發(fā)現(xiàn)許多研究者提出了不少改進(jìn)方案，歸納起來有以下幾種方法。

2.1鐵絲直徑改進(jìn)

將鐵絲的直徑縮小，這樣鐵與氧氣接觸面積增大，微粒的碰撞幾率就增多，物質(zhì)就容易發(fā)生反應(yīng)，從而提高實(shí)驗(yàn)成功率。例如劉敬華和何志民用砂紙將直徑小于0.18mm的細(xì)鐵絲打磨光亮，在酒精燈或蠟燭火焰上加熱至紅熱后，伸入氧氣中進(jìn)行燃燒;時(shí)穎和李德前將鐵絲絨整理成長約15 cm、粗細(xì)如鉛筆的一束，用坩堝鉗夾住鐵絲絨的一端，點(diǎn)燃，然后將鐵絲絨緩緩伸入氧氣瓶內(nèi);姚亮發(fā)等將內(nèi)裝1g左右鐵粉的小藥瓶斜拿，輕輕地振搖，將鐵粉像撒胡椒粉那樣撒在酒精燈火焰上。

2.2引燃方法改進(jìn)

教材中根據(jù)火柴的燃燒程度來把握伸入鐵絲的時(shí)機(jī)，成為實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，為此很多作者對(duì)這方面做了改進(jìn)。譚祥中和涂紅梅將螺旋狀的一端鐵絲蘸滿無水乙醇，然后在酒精燈上點(diǎn)燃，迅速伸入到充滿氧氣的集氣瓶中;陳紅梅用1cm長的鎂帶去引燃鐵絲，即使粗一點(diǎn)的鐵絲也能引燃。

2.3燃燒方向改進(jìn)

傳統(tǒng)的操作是將鐵絲從瓶口伸入，讓鐵絲從下往上燃燒，大部分的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)都遵循這樣的思路，然而有些作者突破思維定勢，讓鐵絲從上往下燃燒。例如李德前將螺旋狀的鐵絲一端系一根火柴，另一端固定在海綿上，將海綿放入集氣瓶底，調(diào)節(jié)鐵絲高度，使火柴頭剛好在瓶口處，向瓶內(nèi)注水使海綿濕潤，用向上排空氣法在此瓶中收集滿氧氣后，點(diǎn)燃火柴以引燃鐵絲（見圖1）;饒志權(quán)則將螺旋狀細(xì)鐵絲的一端不系火柴梗，而是系上一小團(tuán)棉花，實(shí)驗(yàn)時(shí)在棉花上滴1滴無水酒精，然后也讓其從上往下燃燒。

2.4持續(xù)通氣改進(jìn)

氧氣的多少直接影響鐵絲是否能燃燒或燃燒的時(shí)間，為此提供充足的氧氣也成為研究者的改進(jìn)思路。王善利則在集氣瓶中加入少量二氧化錳，然后倒入適量的過氧化氫，把細(xì)鐵絲連接的餐巾紙蘸取少量無水酒精，點(diǎn)燃，待鐵絲紅熱時(shí)，迅速放進(jìn)集有氧氣的集氣瓶里（見圖2）。

對(duì)比教材中的實(shí)驗(yàn)與上述實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案，不難看出教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡單、操作簡便，可惜成功率低;已有的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案雖然在提高實(shí)驗(yàn)成功率方面有所改善，但還是存在一些問題：（1）有的改進(jìn)方案裝置復(fù)雜、操作繁瑣、不利于學(xué)生操作;（2）有的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)成功率還是偏低;（3）有的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)違背了人教版的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（鐵絲在空氣中不燃燒而能在氧氣中燃燒），不適合被借用，如用能在空氣中燃燒的鐵粉或鐵絲絨來做實(shí)驗(yàn)等。為此筆者吸取這些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)踐與探究，最終形成如下簡約化的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案。

3簡約化改進(jìn)方案

3.1實(shí)驗(yàn)用品

高錳酸鉀、鐵絲（0.34 mm）、鐵架臺(tái)、試管、酒精燈、集氣瓶（250 mL）、水槽、小木條、火柴等

3.2實(shí)驗(yàn)操作

（1）取一個(gè)250ml集氣瓶，用排水法收集一瓶氧氣（瓶底留點(diǎn)水），在水下用玻璃片蓋住集氣瓶口，取出后正放在桌面上，備用。

（2）取一根火柴，從火柴頭端截取整根火柴的三分之一。再取一根長約25 cm的細(xì)鐵絲，將細(xì)鐵絲直接繞在火柴上，大約繞5至8圈即可（圖3），再將細(xì)鐵絲另一頭繞在小木條上固定好。

（3）點(diǎn)燃酒精燈，將細(xì)鐵絲橫放，水平方向緩慢地將有火柴的一端鐵絲伸入到火焰中（圖4），當(dāng)火柴頭被引燃時(shí)，輕輕拉開玻璃片（留出集氣瓶口一半），迅速將鐵絲伸人到集氣瓶口，然后緩慢地往下伸入，觀察到鐵絲劇烈燃燒，火星四射。

3.3改進(jìn)說明

（1）250mL集氣瓶除了能提供更多的氧氣外，還具有較好的“縱深”（相對(duì)于125 mL），便于將鐵絲向下伸入，相對(duì)延長鐵絲燃燒時(shí)間。

（2）將1/3長度的火柴橫放，然后緩慢伸入酒精燈火焰中，目的是讓引燃火柴梗和火柴頭有點(diǎn)時(shí)問差，這樣可以先燃燒掉一點(diǎn)火柴梗，防止后面火柴燃燒消耗過多氧氣，同時(shí)便于找到鐵絲伸入氧氣中的時(shí)機(jī)。

（3）由于火柴梗與火柴頭燃燒的現(xiàn)象不同，筆者截取帶火柴頭的一段火柴，利用火柴頭燃燒時(shí)發(fā)出的聲音，來提示鐵絲伸入氧氣中的時(shí)機(jī)。

（4）將鐵絲直接繞在火柴上，操作方便，便于引燃鐵絲。但繞螺旋狀時(shí)切不可將鐵絲疊加在一起（見圖5），否則容易造成鐵絲剛?cè)紵粫?huì)就斷開而掉人瓶底，使實(shí)驗(yàn)失敗。

3.4改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

（1）裝置簡約，操作簡單。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)完美繼承原實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)簡單、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，只是增加了一個(gè)小木條，使伸入和取出操作很方便，且可以重復(fù)使用。

（2）效果明顯。實(shí)驗(yàn)雖然只進(jìn)行了簡約化改進(jìn)，但由于比較注重細(xì)節(jié)，能很好地解決了原實(shí)驗(yàn)中存在的問題（如鐵絲伸入時(shí)機(jī)難把握、火柴燃燒消耗較多氧氣、鐵絲燃燒時(shí)間短等），極大地提高了實(shí)驗(yàn)的成功率，不僅適合教師演示實(shí)驗(yàn)，也適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

4實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的思考

無論是原教材實(shí)驗(yàn)，還是各文獻(xiàn)中的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，都是將鐵絲繞成螺旋狀，筆者就有了疑問：如果鐵絲不繞成螺旋狀，實(shí)驗(yàn)?zāi)艹晒?？為此筆者取一根鐵絲，在前端系一段火柴（只繞一圈來固定），進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)竟然也能成功（筆者做了五次同樣如此）;筆者又分別用木炭、鎂條、酒精作引燃物，同樣不繞螺旋狀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只發(fā)現(xiàn)用酒精作引燃物的實(shí)驗(yàn)失敗了（原因是單位體積內(nèi)鐵絲上的酒精量太少，只在酒精燈上燃燒極短時(shí)間，無法支撐到集氣瓶口），而用木炭或鎂條引燃的實(shí)驗(yàn)依然能成功。既然鐵絲不繞成螺旋狀實(shí)驗(yàn)也能成功，那繞螺旋狀的目的到底是什么呢？早先曾以為是增大與氧氣的接觸面積，后來在接受培訓(xùn)和聽公開課時(shí)又陸續(xù)有教師提出：增大受熱面積、聚熱、對(duì)未燃燒部分進(jìn)行預(yù)熱等等。到底是哪一個(gè)呢？還是都有呢？筆者查閱教參，教參中對(duì)該問題也沒有明確描述，只是指出“鐵絲的粗細(xì)和螺旋的緊密程度對(duì)實(shí)驗(yàn)有影響”。為此筆者又通過中國知網(wǎng)進(jìn)行查詢，發(fā)現(xiàn)陸春華和李奇對(duì)該問題做過研究，其中陸春華借助鐵絲燃燒方向不同，設(shè)計(jì)了五個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，最后提出“把鐵絲繞成螺旋狀與增大反應(yīng)物的接觸面積無關(guān)，而是為了對(duì)未燃燒部分的鐵絲進(jìn)行預(yù)熱”;而李奇根據(jù)鐵絲燃燒速度的不同，又提出了新的解釋：“防止火焰因劇烈燃燒迅速上升到集氣瓶內(nèi)氧氣低濃度區(qū)而熄滅，利于操作和觀察”。為此筆者感覺迷茫，設(shè)計(jì)了一些對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究但未果。希冀有讀者對(duì)此問題也感興趣，愿意和您一起探索真知而努力。