司二偉 馮高峰

摘要： 針對硫和鐵反應(yīng)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(shè)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(yīng)；利用磁鐵實現(xiàn)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(shè)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(guān)鍵詞： 鐵和硫反應(yīng)； 實驗設(shè)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(zhì)”寫入了“常見無機物及其應(yīng)用”的內(nèi)容要求中，要求通過實驗探究了解硫的主要性質(zhì)，認識物質(zhì)在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對生態(tài)環(huán)境的影響［1］。硫的性質(zhì)是高中化學階段考察的重要內(nèi)容之一，教材對硫的性質(zhì)設(shè)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(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)生成硫化物，化學性質(zhì)比較活潑。在正文部分沒有針對硫與金屬的反應(yīng)設(shè)計相應(yīng)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(wǎng)（或陶土網(wǎng)）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(yīng)將逐漸被環(huán)境友好的化學反應(yīng)所替代，體現(xiàn)了化學學科發(fā)展的新價值觀。將綠色化學［4］應(yīng)用到教學實踐中，有利于幫助學生深刻理解綠色化學的內(nèi)涵和重要價值，培養(yǎng)學生的環(huán)保意識?！翱茖W態(tài)度與社會責任”核心素養(yǎng)要求化學學科體現(xiàn)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(shè)計思路應(yīng)滲透綠色化學思想，并體現(xiàn)安全意識和嚴謹求實的科學態(tài)度，據(jù)此提出幾項可行性的設(shè)計，見表2。

2? 文獻概述

針對硫和鐵的反應(yīng)存在的問題，不少學者設(shè)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(shè)想，見表3。可以發(fā)現(xiàn)，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(jié)合。在化學教學中，實驗應(yīng)服務(wù)于教學，體現(xiàn)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(shè)計的硫與鐵實驗裝置的目的不應(yīng)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(jù)意識，滲透化學學科核心素養(yǎng)；（2）教材中設(shè)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(zhì)的氧化性小于氧單質(zhì)和氯單質(zhì)的氧化性。但以往的實驗設(shè)計較側(cè)重于硫和鐵本身的反應(yīng)，沒有思考該實驗在教材中所起的作用。

案例研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學者的研究是利用簡單裝置使硫和鐵的反應(yīng)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(nèi)還存在一定量空氣，在反應(yīng)過程中會生成有毒氣體。因此，有必要對硫與鐵的反應(yīng)裝置做進一步的改進。

3? 硫與鐵的實驗設(shè)計

3.1? 設(shè)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(chǎn)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(jié)合物質(zhì)變化的多方位宏觀表現(xiàn)和離子反應(yīng)的微觀變化需分析產(chǎn)物中鐵元素的化合價；在設(shè)計過程中要考慮培養(yǎng)學生基于證據(jù)對物質(zhì)的組成進行猜測、假設(shè)的辯證思維，并根據(jù)假設(shè)提出可行性的措施，以培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)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(yīng)：

FeS+H2SO4FeSO4+H2S↑

3.3? 實驗儀器及試劑

儀器和材料：鐵架臺、酒精燈、導(dǎo)管、硬質(zhì)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(shè)計

實驗裝置如圖3所示，由氧氣排出裝置、硫和鐵反應(yīng)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(diào)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(yīng)而產(chǎn)生二氧化硫。

3.5? 實驗步驟及現(xiàn)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(cè)導(dǎo)管口套上氣球，酒精燈微加熱硬質(zhì)玻璃管，發(fā)現(xiàn)球形干燥管口有氣泡冒出，左側(cè)氣球鼓起來且不漏氣。停止加熱恢復(fù)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(zhì)玻璃管的中央，分散鋪平，方便觀察。

（3） 制作氮氣球。取下導(dǎo)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(zhì)玻璃管內(nèi)部的上面，實現(xiàn)硫單質(zhì)和鐵單質(zhì)分離。

（5） 鼓入氮氣。調(diào)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(guān)閉旋塞。

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

（7） 實驗結(jié)束。待冷卻至室溫，從右至左拆除裝置，將充分反應(yīng)后的物質(zhì)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(chǎn)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(yīng)，并放出大量氣體，從導(dǎo)管通入燒杯被氫氧化鈉溶液吸收。取反應(yīng)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(xiàn)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(chǎn)生。

通過上述一系列實驗，保證設(shè)計的硫和鐵反應(yīng)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(chǎn)物是硫化亞鐵。

4? 結(jié)語

本文利用簡單的實驗儀器設(shè)計密閉體系中硫粉和鐵粉反應(yīng)的實驗裝置，利用氮氣化學性質(zhì)穩(wěn)定的特點有效地從源頭消除了實驗中產(chǎn)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(zhì)變化的過程，通過檢驗反應(yīng)生成物是硫化亞鐵豐富了教材的實證研究。實驗設(shè)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(zhì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)的實驗設(shè)計［J］. 化學教學， 2016， （7）： 54～56.

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