鐵與水蒸氣反應(yīng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

湖北省天門市天門中學(xué)(431700) 伍 強(qiáng)

1 實(shí)驗(yàn)器材與試劑

大試管、單孔橡皮塞、酒精燈、試管夾、帶金屬蓋的塑料小瓶、普通塑料小瓶、面巾紙、粗銅絲、防火膠布、打火機(jī)、中性筆芯、輸液管滴壺、超細(xì)鋼絲棉、蒸餾水、洗潔精溶液。

2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)

(1)用化學(xué)組成與還原鐵粉相似的超細(xì)鋼絲棉代替鐵粉進(jìn)行反應(yīng),增大了鐵與水蒸氣的接觸面積,提高了實(shí)驗(yàn)的成功率。

(2)對(duì)吸水材料和超細(xì)鋼絲棉進(jìn)行了定量裝配設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化了操作過程。

3 對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)

(1)舊教材將鐵粉附著在石棉絨上進(jìn)行反應(yīng),由于石棉絨導(dǎo)熱性不好,大多數(shù)鐵粉溫度不夠高,難以反應(yīng)?，F(xiàn)行教材實(shí)驗(yàn)中水蒸氣與鐵粉接觸面積有限,大多數(shù)水蒸氣來不及與鐵粉反應(yīng)就逸出了試管;鐵粉與供水劑的距離太遠(yuǎn)、太近都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗;實(shí)驗(yàn)前藥品裝填困難、實(shí)驗(yàn)后廢棄物不易取出。

(2)當(dāng)前的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)分兩類,一類是改進(jìn)供水材料,延緩水蒸氣的發(fā)生,如將棉花改為富水蔬菜等,提高了實(shí)驗(yàn)成功率,卻導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)的問題,而且這一類設(shè)計(jì)并沒有解決供水劑與鐵粉的距離問題。另一類是增加鐵與水蒸氣的接觸面積,如用半圓形磁鐵吸附鐵粉,使其呈毛刷狀,增大了鐵粉與水蒸氣的接觸面積,但該設(shè)計(jì)有裝置過于復(fù)雜、操作不便等缺點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

(1)通過評(píng)價(jià)“鐵與水蒸氣反應(yīng)實(shí)驗(yàn)”的舊教材設(shè)計(jì)、現(xiàn)行教材設(shè)計(jì)及已有改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),培養(yǎng)學(xué)生的分析能力與評(píng)價(jià)能力。

(2)指導(dǎo)學(xué)生參與該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

(3)通過反復(fù)測(cè)試,對(duì)裝置不斷進(jìn)行優(yōu)化,培養(yǎng)學(xué)生精益求精的探究精神。

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

5.1 實(shí)驗(yàn)裝置的初步設(shè)計(jì)

(1)對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)

在教師的指導(dǎo)下,學(xué)生成立了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)小組。教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)舊教材、現(xiàn)行教材及已有改進(jìn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(2)實(shí)驗(yàn)試劑的選擇

用鋼絲棉代替還原鐵粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn),鋼絲棉有彈性,堵在試管中,水蒸氣只能從鋼絲棉的縫隙中通過,增大了接觸面積,有利于反應(yīng)的發(fā)生。鋼絲棉是鋼纖維,導(dǎo)熱性好,不僅緊挨著試管內(nèi)壁的鋼絲棉可以反應(yīng),部分靠近內(nèi)壁的鋼絲綿也能發(fā)生反應(yīng)。

(3)對(duì)初期成果的評(píng)價(jià)

教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出如圖1所示的初期成果裝置,并以思考題形式引導(dǎo)學(xué)生對(duì)初期成果進(jìn)行評(píng)價(jià),具體過程如下。

圖1 初期成果裝置示意圖

思考題：已知鋼絲棉與面巾紙定量裝配流程如圖2所示,取1張面巾紙,折成1個(gè)方塊;取1根粗銅絲,將其一端彎成鉤狀,鉤在面巾紙上并捏緊,使面巾紙難以移動(dòng);稱取2g鋼絲棉,對(duì)折成圖2(a)所示形狀,將單層部分壓在面巾紙和粗銅絲上,雙層部分壓在粗銅絲上,卷成一個(gè)如圖2(b)所示的圓柱狀,用細(xì)銅絲將圓柱兩端扎好,防止面巾紙和鋼絲棉散開。在粗銅絲中部折出一個(gè)U 形彎,并將粗銅絲另一端折成一個(gè)環(huán),最終得到一個(gè)鋼絲棉與面巾紙組合而成的定量裝配裝置。請(qǐng)回答下列問題：

圖2 鋼絲棉與面巾紙定量裝配流程圖

(1)本實(shí)驗(yàn)的投料過程較為方便,原因是什么?

(2)為什么要用“面巾紙”包住鋼絲棉?

(3)用蒸發(fā)皿收集氣體,點(diǎn)燃?xì)怏w時(shí)發(fā)生較劇烈燃爆,需要用坩堝鉗夾住火柴。本實(shí)驗(yàn)將蒸發(fā)皿改為試管的目的是什么?

(4)初期成果還有那些地方值得改進(jìn)?

5.2 實(shí)驗(yàn)裝置的中期設(shè)計(jì)

小組成員對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置作了便攜式設(shè)計(jì),如圖3所示。用試管夾代替了鐵架臺(tái),用纏有防火膠布的廢棄中性筆芯代替了玻璃導(dǎo)管,用青霉素小瓶代替了小試管。小組成員對(duì)中期成果進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)：如果操作不當(dāng),試管可能會(huì)炸裂。

圖3 中期成果裝置示意圖

5.3 實(shí)驗(yàn)裝置的后期設(shè)計(jì)

小組成員對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了防炸裂設(shè)計(jì),如圖4所示。在導(dǎo)管上端增加了用輸液管滴壺制成的防倒吸裝置,在試管口增加了用面巾紙制成的吸水裝置。通過測(cè)試,取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

圖4 后期成果裝置示意圖

5.4 后期成果的推廣與定型

教師采取送教入班的形式對(duì)實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行推廣,共選擇了本校19個(gè)班級(jí)進(jìn)行了教學(xué),收到了良好的效果。

由于實(shí)驗(yàn)室腐蝕性氣體較多,無法安裝一體機(jī)等電子設(shè)備,本校涉及分組實(shí)驗(yàn)的課程,往往是將實(shí)驗(yàn)儀器運(yùn)到普通教室進(jìn)行教學(xué)。但儀器中常有鐵架臺(tái)等較重的物品,授課教師一般提不動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀器,限制了這種教學(xué)模式的推廣。由于本實(shí)驗(yàn)為便攜式設(shè)計(jì),給教學(xué)工作帶來了極大的便利,值得推廣。

通過送教入班活動(dòng),發(fā)現(xiàn)由于青霉素小瓶重心較高,易被學(xué)生打翻。因此,將青霉素小瓶改為金屬瓶蓋,如圖5所示。由于準(zhǔn)備了200多組學(xué)生實(shí)驗(yàn),工作量較大,將定量裝配裝置的制作工序進(jìn)行了簡(jiǎn)化,去掉了捆扎面巾紙和鋼絲棉的細(xì)銅絲,發(fā)現(xiàn)鋼絲棉和面巾紙也不易散開。由于裝置較簡(jiǎn)單,即使學(xué)生基于好奇心,把裝置拆掉了,也能重新將裝置包好。去掉了U 形彎,鋼絲棉也不易脫離面巾紙,即使鋼絲棉在插入過程中脫離了面巾紙,可用鑷子將鋼絲棉往里推一下,緊挨到面巾紙,也不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果。

圖5 定型裝置示意圖

6 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：裝置簡(jiǎn)單、操作方便、安全性高、成功率高,使用的儀器與藥品價(jià)廉易得,值得推廣。