鐵生銹實驗的再改進

摘要：對已有的鐵生銹實驗進行歸類、分析，結(jié)合義務(wù)教育化學(xué)課程標準中實驗探究活動的相關(guān)建議和要求，利用鋼絲棉、軟塑料吸管、恒溫加熱杯墊等物品對該實驗進行了再改進。改進后的實驗具有裝置簡單、操作便捷、實驗高效、試劑節(jié)省、溫度可控、拓展性強等優(yōu)點，可以作為中學(xué)生開展深度學(xué)習(xí)與自主合作學(xué)習(xí)的探究實驗。關(guān)鍵詞：鐵生銹；鋼絲棉；塑料吸管；實驗改進1問題及概述“探究鐵釘生銹的條件”［1］是《義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022年版）》“科學(xué)探究與化學(xué)實驗”“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”兩大學(xué)習(xí)主題中學(xué)習(xí)活動建議的實驗探究活動。該實驗探究活動由于能幫助學(xué)生經(jīng)歷真實的探究過程，增進學(xué)生對化學(xué)科學(xué)探究本質(zhì)的理解，形成科學(xué)的探究思路與方法，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力和創(chuàng)新意識，在現(xiàn)行不同版本的教材中一直被作為重要教學(xué)內(nèi)容。該實驗雖具有裝置簡約、易操作等優(yōu)點，但都存在實驗耗時長、空間跨度大、實驗結(jié)果反饋不及時等問題。為此眾多化學(xué)工作者對其進行了創(chuàng)新改進。汪前進［2］等利用鋼絲棉等“細鐵絲”增大鐵與氧氣、水（或食鹽水）的接觸面積（如圖1所示），將鐵生銹的實驗現(xiàn)象從幾天縮減到2天～40min。但這類實驗裝置仍耗時較長，不便于教師攜帶與學(xué)生使用，還缺少鐵分別與氧氣和水單獨作用的對比實驗。李娜［3］等設(shè)計的“供氧”裝置（如圖2所示），通過向裝置中持續(xù)通入純凈的氧氣使鐵絲能在5～10min內(nèi)快速生銹。同時，還能避免空氣中其他成分對實驗產(chǎn)生的影響，快速完成鐵絲和氧氣在有水或無水環(huán)境下的對比實驗。但這類裝置也存在制氧試劑用量大、不便攜帶、組裝繁瑣等問題。潘國榮［4］研究發(fā)現(xiàn)利用70℃左右的熱水對裝有蒸餾水、空氣和鐵釘?shù)脑嚬苓M行水浴加熱，可在3min左右觀察到鐵釘表面出現(xiàn)銹斑，若向試管中的水加入酸或鹽等電解質(zhì)會使鐵釘銹蝕更快。但該實驗所用的鐵釘需在實驗前用稀酸作表面處理，且洗凈后要迅速干燥密封保存?zhèn)溆?。做對比實驗時，還需要用鎂條去除蒸餾水中殘留的氧氣再進行實驗，以防止浸沒在蒸餾水中的鐵釘生銹對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。同時，由于該實驗的教學(xué)時段在冬季，實驗發(fā)現(xiàn)在燒杯中倒入200mL70℃的熱水進行水浴加熱，水溫下降很快，鐵釘表面升溫慢，導(dǎo)致生銹速率減慢。劉廣斌［5］利用經(jīng)過打磨除銹、堿液去油、氬氣快速干燥處理的鐵片，在“真空袋”中用抽氣泵進行“充氧”和“除氧”對比實驗。雖能在“充氧”的情況下2min左右觀察到鐵片表面出現(xiàn)銹跡。但上述實驗存在常規(guī)儀器使用少、氧氣用量多、氬氣不易找、前期準備復(fù)雜、處理后的鐵片需真空保存、不利于日常教學(xué)使用等問題。通過對上述已有改進實驗的對比分析，在吸取這些實驗優(yōu)點的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計了如圖3所示的改進裝置。經(jīng)多次實驗驗證，該裝置攜帶更加方便，師生操作更加簡單，實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)更快，有利于日常教學(xué)使用。2實驗部分2.1實驗用品鋼絲棉（規(guī)格0000#）、250mL小燒杯、15mm×150mm試管（容積約為25mL）若干、膠頭滴管、橡膠塞、100mL裝有氧氣的醫(yī)用注射器1支、50mL醫(yī)用注射器1支、微型二通閥、注射用塑料軟管、盛熱水的保溫杯、恒溫加熱杯墊、PP（聚丙烯）材質(zhì)白色軟塑料吸管（管徑12mm）、剪刀、碎瓷片2.2制作方法（1）將白色PP（聚丙烯）材質(zhì)的軟塑料吸管下端50mm長的區(qū)域先壓扁，再用剪刀在該區(qū)域兩個側(cè)面分別斜向上剪口約8mm，再將塑料軟管旋轉(zhuǎn)90°壓扁再剪口。然后，將剪成“V”形口的塑料片向上翻出形成開孔，具體操作如圖4所示。（2）取少許鋼絲棉拉制成直徑約為100mm、厚度僅為1mm的薄鋼絲網(wǎng)。按圖5所示步驟，利用開孔的塑料吸管將薄鋼絲網(wǎng)推入試管內(nèi)，并借助塑料吸管表面上翻的“V”形塑料片將鋼絲棉緊壓在試管內(nèi)壁制得“備用試管”。2.3操作步驟（1）將保溫杯中的熱水約200mL注入裝有碎瓷片的燒杯中，放在恒溫加熱墊上加熱至沸騰后切換至二檔加熱，并維持85℃的水溫。加熱過程中用50mL注射器吸取燒杯中約25mL熱水，向一支備用試管③中注滿熱水，并用橡膠塞塞緊放入燒杯中繼續(xù)水浴加熱。（2）另取一支備用試管①，用膠頭滴管取燒杯中的熱水約2mL加入該試管中。（3）用裝有100mL純凈氧氣的注射器，打開二通閥分別向裝有2mL熱水的備用試管①和沒有裝水的備用試管②中緩慢各注入約30mL氧氣，并用橡膠塞塞緊后充分振蕩。（4）將上述兩支備用試管振蕩后，同時放入燒杯中加熱，并觀察三支試管中的實驗現(xiàn)象。具體實驗操作步驟，如圖6所示。2.4注意事項（1）選用管徑為12mm的白色PP（聚丙烯）材質(zhì)軟塑料吸管，在管壁上剪出“V”形口。上翻的“V”形塑料片不僅利于鋼絲棉緊貼在試管內(nèi)壁，管壁的開孔還能使鋼絲棉與氧氣充分接觸，便于鋼絲棉在水浴加熱的情況下快速生銹。同時，選用白色塑料吸管除了具有可重復(fù)利用的優(yōu)點外，還方便在實驗中觀察鋼絲棉生銹的現(xiàn)象。（2）通過對不同規(guī)格鋼絲棉在85℃的水浴中與純氧和蒸餾水共同作用時生銹快慢的研究（見表1），發(fā)現(xiàn)選用規(guī)格為0000#的鋼絲棉用于實驗效率最高。若遇鋼絲棉在空氣中久置存放實驗效果不佳時，則可用稀酸對鋼絲棉進行浸泡處理，再用蒸餾水洗凈后用于實驗，能達到同樣的效果。（3）實驗中須使用85℃恒溫水浴進行加熱。通過實驗發(fā)現(xiàn)，使用100℃沸水浴持續(xù)進行加熱，不僅會使鋼絲棉表面生成黑色的四氧化三鐵，導(dǎo)致觀察不到紅棕色鐵銹產(chǎn)生的現(xiàn)象，還會因為水沸騰過程中不斷產(chǎn)生的氣泡，影響實驗現(xiàn)象的觀察。（4）加熱過程中燒杯底部需鋪一層顆粒較小的碎瓷片，防止水爆沸濺出。（5）剛加熱結(jié)束的恒溫杯墊應(yīng)注意避免接觸性燙傷。3實驗再改進的優(yōu)點3.1操作便捷易調(diào)控，現(xiàn)象明顯、實驗效率高改進后的裝置只需通過“注熱水→通電源→加熱水→通氧氣→共水浴”等五步簡單操作，即可在2分鐘以內(nèi)觀察到鋼絲棉生銹的現(xiàn)象，有利于提高課堂效率。同時，實驗中可通過調(diào)節(jié)恒溫加熱杯墊檔位與添加冷水的量，能實現(xiàn)快速調(diào)控燒杯中的水溫，從而探究溫度高低對鐵銹蝕快慢的影響情況（見表2）。3.2節(jié)約藥品，有益拓展探究利用改進后的裝置進行實驗，氧氣用量明顯減少。在純氧環(huán)境下，即使不使用干燥劑，處于85℃水浴中的鋼絲棉在試管中也不會生銹。同時，在沒有蒸餾水的情況下，使用煮沸的普通飲用水注入備用試管中進行實驗，對實驗現(xiàn)象無明顯影響。該裝置不僅可以探究鐵生銹的條件，還可用注射器控制通入試管中氧氣的量，探究不同濃度氧氣對鐵生銹快慢的影響（見表3）。同時，也可用注射器向試管中加入等量且等濃度的醋酸、氨水、氯化鈉等溶液，快速探究酸、堿、鹽等不同電解質(zhì)對鐵銹蝕快慢的影響（見表4），增強了實驗的拓展性、探究性和趣味性。3.3引導(dǎo)深度學(xué)習(xí)，有助開展自主學(xué)習(xí)利用改進裝置的可拓展性與易操作性，在教師的引導(dǎo)下學(xué)生利用注射器和膠頭滴管控制添加試劑的種類與用量，可快速實現(xiàn)從單一環(huán)境到復(fù)雜環(huán)境、從定性到定量、從相似環(huán)境到陌生環(huán)境的分層遞進式深度學(xué)習(xí)過程。這不僅可以為學(xué)生高中化學(xué)的學(xué)習(xí)銜接鋪路，也能輔助教師針對“化學(xué)大概念”［6］開展大單元教學(xué)設(shè)計。將該實驗裝置在我校10個教學(xué)班級中進行實踐應(yīng)用，還發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)小組的同學(xué)都能根據(jù)實驗中的現(xiàn)象，提出鐵生銹的快慢與溫度、氧氣濃度、鋼絲棉的粗細等有關(guān)的探究性問題。并且能利用該實驗裝置對提出的問題在課堂中開展自主合作探究，實現(xiàn)學(xué)生從引導(dǎo)式的探究學(xué)習(xí)過程，自然過渡到有深度的自主學(xué)習(xí)過程。總之，通過本實驗的改進不僅讓師生實驗操作更加便捷，現(xiàn)象更加明顯，結(jié)論更加可靠，也為師生的教與學(xué)提供了更好的拓展空間，幫助教師和學(xué)生在課堂中形成生成性的學(xué)習(xí)資源，讓課堂探究過程更具有自主性與可操作性，讓學(xué)生在課堂中真正實現(xiàn)“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”。參考文獻：［1］義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.［2］關(guān)于鐵生銹實驗的改進［J］.