铁燃烧实验的两种新改进

甘 磊 李德前 张 羿

江苏省徐州市第33中学(221000) 江苏省徐州市西苑中学(221000)

1 问题的由来

铁的燃烧是初中化学教科书中验证氧气化学性质的重要实验，但也是成功率不高的一个课堂演示实验。如果使用普通的细钢丝(一般取自破旧的石棉网、自行车闸线、铁纱窗等)，必须将其绕成螺旋状并在末端续接火柴、镁带或酒精棉等引燃物(见图1)才能促进铁的顺利燃烧。

图1 教科书中铁在氧气中燃烧的实验设计

对于铁燃烧出现火星四射的原因，教师大多只是口头解释(钢丝中的碳同时燃烧生成的二氧化碳气体被包裹在铁水中，二氧化碳气泡迅速臌胀造成了铁及铁的氧化物向四周飞溅，于是呈现火星四射的现象)，很少有人进行实验验证。

但是，江苏省徐州市初中化学李德前工作室的周良老师设计了在空气中快速甩动燃烧的钢丝棉实验(见图2)。该实验的效果令人震撼，因而在省内外广为流传，但其最大的不足是存在安全隐患(四处飞溅的火星容易引燃可燃物，甚至会灼烧到现场的师生)。

图2 在空气中快速甩动燃烧的钢丝棉

我们在实验教学中，基于“替换”思维，选用超细柔软的钢丝棉替换通常的细钢丝进行铁的燃烧实验；又基于“逆向”思维，把“在空气中快速甩动燃烧的钢丝棉”改为“将燃烧的钢丝棉置于高速空气流中”进行实验。实践证明，这两种改进方案都非常成功。

2 改进实验的原理

表面积非常大的超细钢丝棉其表面活性非常强，在氧气浓度为21%的常态空气中就能被点燃并持续燃烧，表现为红热的火星不断向四周快速扩散(火星没有飞溅)；在氧气浓度高于60%的空气中，钢丝棉剧烈燃烧，并且产生明显的火星四射现象。

3 对实验的改进

经过反复思考与实验，笔者设计出如下两种改进方案。

3.1 将钢丝棉点燃后直接伸入氧气瓶中进行实验

3.1.1 实验用品

氧气、0号钢丝棉(网购)、石灰水、250 mL集气瓶、毛玻璃片、直角粗钢丝、火柴、湿抹布等。

3.1.2 实验装置

实验装置图如图3所示。

图3 钢丝棉在氧气瓶中燃烧的实验设计

3.1.3 实验操作

(1)剪取大小合适的1块钢丝棉，将其整理为长约12 cm、直径约15 mm的圆柱形；找1根长约25 cm、外径约5 mm的粗钢丝，并折成直角形状，然后将钢丝棉固定在直角粗钢丝上(见图3)。

(2)取1个250 mL集气瓶，提前向集气瓶中注入适量澄清的石灰水，然后用向上排空气法收集1瓶氧气。

(3)拉开氧气瓶口的毛玻璃片(露出瓶口一半即可)，迅速将已经引燃的钢丝棉伸入氧气瓶内，立刻观察到钢丝棉在氧气瓶内剧烈燃烧，放出大量的热，同时浓密的火星四处飞溅；燃烧结束，集气瓶底部及瓶壁上留有很多细小的黑色固体；如果用磁铁靠近黑色固体，发现它们能被完全吸引。

(4)等到集气瓶冷却到室温后，轻轻振荡瓶内的澄清石灰水，石灰水很快变浑。

(5)实验结束，整理实验用品。

3.1.4 实验分析

(1)由于超细钢丝棉的比表面积非常大，它与氧气的接触面也很大，因而钢丝棉很容易在高浓度的氧气里剧烈燃烧。

3.1.5 注意事项

(1)钢丝棉伸入氧气瓶时，要由上而下缓缓伸入，从而充分利用集气瓶内的氧气。

(2)在观察石灰水的变化时，必须等集气瓶冷却到室温后再振荡石灰水，以排除石灰水受热出现浑浊现象(析出氢氧化钙)对实验的干扰。

(3)在使用普通细钢丝做铁的燃烧实验时，若要验证二氧化碳气体的存在，不能使用火柴杆、酒精棉等引燃物，以防止这些含碳的引燃物燃烧产生的二氧化碳气体对实验产生干扰。

3.1.6 实验优点

(1)实验操作相对简单，即便学生操作其成功率也非常高。

(2)石灰水的巧妙使用，不仅能防止集气瓶底部炸裂，还验证了铁燃烧时火星四射的原因。

(3)借助直角形状的粗钢丝固定燃烧的钢丝棉，既便于将引燃后的钢丝棉伸入氧气瓶内，又不会因为铁的剧烈燃烧而灼烧操作者。

(4)实验设计不仅开阔了学生的视野，也使铁的燃烧实验更加丰满。

在企业中，所有者与经营者是关系最为密切的利益主体。所有者关心的是自己的资产能否保值和增值，而经营者关心的是业绩能否增加给自己带来额外的经济收益。由于他们行为的目的性和经济性特征,存在着利益驱动,不可避免地带来利益冲突。主要表现：一方面是激励不够，经营者的贡献在个人收入上往往不能得到很好的体现，这就使得一些经营者设法获取薪酬之外的额外收入，从而导致激励机制被严重扭曲，经营者道德风险也随之加大；另一方面是激励不当，缺乏相应的约束机制，造成部分经营者为满足自身利益，无视经营责任，转嫁经营风险，直接参与提供虚假会计信息。

3.2 将钢丝棉引燃后置于高速空气流中进行实验

3.2.1 实验用品

0号钢丝棉(网购)、水、家用除尘鼓风机或大功率的家用电吹风、铁架台、火柴、湿抹布等。

3.2.2 实验装置

实验装置图如图4所示。

图4 钢丝棉在高速空气流中燃烧的实验设计

3.2.3 实验操作

(1)准备一个家用除尘鼓风机(或大功率的家用电吹风)。

(2)剪下一块较大的钢丝棉，通过搓、揉、拉等操作，将其整理成30 cm×4 cm×3 cm，并将其一端固定到铁架台(或墙壁)上。

(4)收集钢丝棉燃烧溅落到地面上的黑色固体，再将其加到足量的硫酸铜溶液里，充分搅拌后黑色固体部分减少，并出现红色固体。

(5)实验结束，整理实验用品。

3.2.4 实验分析

(1)鼓风机(或电吹风)可以喷出高速空气流，钢丝棉处于高速空气流中燃烧，在单位时间内获得了充足的氧气，因而能充分、剧烈地燃烧。

3.2.5 注意事项

(1)整理后的钢丝棉其长、宽、厚及疏松度要合适，使其既充分燃烧，又火星浓密。

(2)为了确保实验安全，实验场地不能有易燃物，并尽量将实验置于靠近墙壁的位置进行；实验结束，残留的钢丝棉要及时浸入水中。

(3)鼓风机的出风口距离钢丝棉100 cm左右较为合适，并且出风口稍微向上倾斜10°左右；鼓风机向着钢丝棉鼓风时，应尽量使用中低档键(因为这种鼓风机功率大、风速快)。

(4)如果使用电吹风鼓风，连续鼓风时间不要过长，以防电热丝温度过高，出现停机情况。

(5)钢丝棉属于易燃物，在保存和使用时要符合安全要求。

3.2.6 实验优点

(1)实验现象非常壮观，提高了实验的趣味性；钢丝棉燃烧产生的大量火星仅向着一侧飞溅，确保了实验的安全性。

(2)利用鼓风机(或电吹风)提供高速空气流，使钢丝棉在空气中的燃烧便于控制，只要钢丝棉足够多，燃烧就可以持续不断地进行下去，从而充分满足学生观察和探究实验的欲望。

(3)钢丝棉在高速空气流中剧烈燃烧的事实，有利于学生认识完全燃烧的条件；钢丝棉奇特的化学活性，能够激发学生探究身边化学物质的欲望。

(4)本实验不仅可以作为演示实验，也可以在教师或家长指导下由学生进行操作。

4 小结

总之，由于钢丝棉的比表面积非常大，因而它在化学反应中发生的有效碰撞几率就高。我们利用钢丝棉设计中学化学实验(不限于铁的燃烧，还有铁生锈、铁与硫反应、铁与酸或盐溶液反应等实验)，不仅能明显地提高化学反应速率，甚至能产生意想不到的实验现象，因而丰富了中学化学实验教学资源，提高了化学实验教学的有效性。