论文部分内容阅读
摘要： 将不同版本教材中稀硫酸和Fe2O3反应的实验设计进行比较，针对部分版本教材存在表述不够严密、实验设计不够严谨等问题，对实验进行改进探索。通过对照试验发现，生锈铁钉与稀硫酸反应易受各种因素影响导致实验效果很不理想，若使用新买或自制的氧化铁粉末与稀硫酸在加热条件下反应能产生好的实验效果。
关键词： 稀硫酸溶液; Fe2O3粉末; 实验改进; 实验探究
文章编号： 1005-6629（2021）09-0079-04
中图分类号： G633.8
文献标识码： B
1 问题的提出
在浙教版《科学》“常见的酸”教学时发现，将稀硫酸滴入盛有Fe2O3粉末的试管中，发现不能产生与教材插图相同的实验现象。基于教科书的实验操作的权威性，在查阅不同版本教材后发现，该实验的反应药品、反应条件、实验操作等设计与浙教版存在较大的差异。这些差异对实验结果会产生怎样的影响？带着这个问题，笔者对稀硫酸与氧化铁反应实验进行系列探究。
2 不同版本教材中稀硫酸和Fe2O3反应的实验设计比较
现行全国初中化学义务教育教科书在探究稀硫酸溶液与金属氧化物反应的实验探究中，均选用Fe2O3作为典型代表物，该反应有明显特征现象（反应后溶液呈黄色），这符合初中生的认知水平。该经典实验在不同版本的教材中其实验设计、药品选用、反应条件、试剂用量、实验操作等方面却不尽相同（见表1）。
从表1可以发现，各个版本教材中稀硫酸和Fe2O3反应的实验编写各有特点。人教版、沪教版、鲁教版采用探究实验，探究性层次要求较高，重视学生科学探究能力的培养，发挥学生的主体性，体现学生主动参与探究过程，建立自主、合作、探究的学习方式和学习习惯;华东师大版、科粤版则采用学生实验的方式展开，其中华东师大版要求学生设计实验方案并操作，要求颇高。编写理念上突出化学学习的好奇心和探究欲，突出学生实践能力、创造能力以及获取新知识能力的培养。而科粤版对实验方案的描述较为严谨且有具体的操作，降低了学生实验的难度;浙教版以教师演示的方式呈现且教材中附有实验现象图。在上述实验方案中，除浙教版采用Fe2O3粉末作为反应物外，其他方案均采用生锈铁钉作为反应物。在反应条件上，除科粤版反应条件需加热外，其他方案均为室温进行或没有明确表明温度条件。
3 实验探索
3.1 实验1 生锈铁钉与稀硫酸溶液反应
首先往锈蚀的螺丝钉（M6×20）加入约5mL左右11.5mol/L（70%）的硫酸溶液，常温条件下反应，可以看到有黑色小颗粒生成。小颗粒在气泡的冲击下上下翻腾，实验中虽能看到溶液呈浅黄色，但由于气泡和碳颗粒的影响，此时的溶液较为混浊并略显灰色，透明性差，反应后试管底部有较多的铁锈从螺丝钉脱落下来沉积在试管底部，反应时间远大于5min。当加热试管时，发现立即产生大量气泡，铁锈随着气泡上下翻腾更为明显，加热大约1min后溶液即出现明显的黄色。由此断定，常温下生锈铁钉虽能够和稀硫酸反应但现象不明显且反应时间较长，加热则可缩短反应时间且现象更为明显。基于此，笔者将生锈铁钉与不同浓度（质量分数）的稀硫酸溶液在加热条件下反应进行对照，實验现象如表2所示。
从表2可以看出，在其他条件相同情况下稀硫酸的浓度（质量分数）越高，反应所需的时间越短，溶液的黄色更为明显，但在反应过程中产生的大量气泡也更为激烈，影响实验效果。姜跟华等[1]对此做出了改进： 将生锈的铁钉用长线扣上，放入试管中，加入稀硫酸并加热试管，当生锈铁钉表面刚好要有大量气泡冒出时，牵出铁钉，使液体与铁钉脱离，继续加强热至液体沸腾，然后冷却。此操作可以较大程度减小铁和硫酸反应对铁锈和硫酸反应带来的干扰，但在实际操作过程中，适时将铁钉牵出比较困难，且此操作从根本上是让Fe2O3单独和稀硫酸反应，和浙教版的实验方案有异曲同工之处，但不如浙教版操作更为简便。在反应条件相同的情况下，长度相当、生满铁锈的螺丝钉和铁钉分别与稀硫酸溶液反应，螺丝钉效果要比铁钉好。并且发现，将螺丝钉长时间放置在稀硫酸溶液中，螺丝钉会出现淡绿色玻璃状结晶，此现象说明生锈铁钉（螺丝钉）与稀硫酸反应往往伴随着铁与硫酸的反应而使溶液颜色呈现黄绿色。
3.2 实验2 Fe2O3粉末与稀硫酸溶液反应
3.2.1 Fe2O3粉末与不同质量分数的硫酸反应
为了减少铁与硫酸反应带来的影响，笔者在实验1的基础上，采用一定量的Fe2O3粉末与一定量不同质量分数的硫酸反应，实验现象如表3所示。
通过实验发现，室温下Fe2O3粉末与稀硫酸溶液反应较难进行且难以出现预期的黄色溶液。通过进一步实验发现，在室温下Fe2O3粉末与稀硫酸溶液虽难以出现黄色溶液，但静置后滴加入1～2滴KSCN后上层清液立刻出现血红色，证明Fe2O3粉末与稀硫酸溶液在室温下能反应。当稀硫酸溶液浓度（质量分数）较低时，即使Fe2O3粉末与稀硫酸溶液在加热条件下反应也不激烈，难以出现黄色溶液，当稀硫酸浓度较高时，在加热情况下与Fe2O3粉末反应时间较短，溶液呈现亮黄色，但1～2min后黄色明显变浅，因为随着温度的升高，溶液透光率下降，即颜色变深;随着温度的下降，溶液的透光率增大，即颜色变浅[2]，而当Fe2O3粉末过量时，由于Fe2O3粉末着色力很强而使溶液呈现明显的红棕色，难以观察到黄色。
通过进一步实验发现，久置的Fe2O3粉末（分析纯）与稀硫酸在加热条件下反应也变得较为困难，这主要是由于久置的Fe2O3粉末大多为α-Fe2O3构型，较难与稀硫酸反应，即使在加热条件下其与稀硫酸的反应也较为困难，而新购置的Fe2O3粉末（分析纯）则较易与稀硫酸在加热情况下反应。 3.2.2 自制Fe2O3粉末
由于久置的Fe2O3粉末（分析纯）较难与稀硫酸反应，笔者尝试利用自制Fe2O3粉末与稀硫酸反应。通常情况下我们通过加热分解Fe（OH）3的方法制取氧化铁，但该反应对实验条件和操作要求均较高，普通初中学校尤其是农村学校较难实现。由于本实验对Fe2O3粉末的纯度要求不高，笔者采用一种较为简单也较易成功的制取方法获取Fe2O3粉末： 取一口废弃铸铁锅，清洗干净加入一定量的水，放置一星期左右，待生成的铁锈较多时将其倒入大烧杯，静置出现分层，小心倒掉上层清液，让其自然干燥，即可得到较多量的Fe2O3粉末;也可取一定量的铁钉，先用酒精洗掉表面的油污，然后用稀盐酸酸洗，再用蒸馏水洗去铁钉表面的残余酸液，将其放入大烧杯中，加入一定量的水（铁钉半置于水中）[3]，待其充分完全锈蚀后用清水冲洗铁钉，洗下铁锈，后面处理方法同上所述。
3.2.3 不同来源Fe2O3粉末与质量分数70%的硫酸反应
4 思考与总结
实验表明，生锈铁钉与稀硫酸反应较为容易，而Fe2O3粉末与稀硫酸反应较为困难，这也是绝大多数教材采用生锈铁钉与稀硫酸反应的主要原因。诚如科粤版（2008年7月第2版）的实验设计，要减少铁钉与硫酸反应对实验的影响，所用的铁钉必须是生满铁锈（主要成分是Fe2O3）的铁钉，但事实上要使铁钉表面布满铁锈也非易事。其他版本设计的实验大多是常温下进行，想要获得理想的实验现象所耗费的时间太长。浙教版虽然避免了铁与稀硫酸反应所带来的影响，但在常温下Fe2O3粉末与稀硫酸难以反应，也不会出现如教材所描述的实验现象。较为理想的实验设计是利用新买（或新制）的Fe2O3粉末在加热情况下与浓度（质量分数）较高的硫酸反应，既可在短时间内完成反应，也能够取得预期的实验效果。但需要注意，实验所需的Fe2O3粉末不宜过多，防止由于Fe2O3着色力太强而导致难以观察到黄色溶液，故稀硫酸的浓度控制在5mol/L（38%）以上为宜。
参考文献：
[1]姜跟華， 包君君. 对生锈的铁钉与稀盐酸、稀硫酸反应的改进[J]. 中学化学， 2012， （1）： 23.
[2]魏锐， 宋万琚， 王磊， 范林， 刘强， 东启云. Fe3+在水溶液中的水解平衡和配位平衡[J]. 化学教育， 2008， （1）： 69.
[3]南京大学《无机及分析化学实验》编写组. 无机及分析化学实验[M]. 北京： 高等教育出版社， 2004： 126.
关键词： 稀硫酸溶液; Fe2O3粉末; 实验改进; 实验探究
文章编号： 1005-6629（2021）09-0079-04
中图分类号： G633.8
文献标识码： B
1 问题的提出
在浙教版《科学》“常见的酸”教学时发现，将稀硫酸滴入盛有Fe2O3粉末的试管中，发现不能产生与教材插图相同的实验现象。基于教科书的实验操作的权威性，在查阅不同版本教材后发现，该实验的反应药品、反应条件、实验操作等设计与浙教版存在较大的差异。这些差异对实验结果会产生怎样的影响？带着这个问题，笔者对稀硫酸与氧化铁反应实验进行系列探究。
2 不同版本教材中稀硫酸和Fe2O3反应的实验设计比较
现行全国初中化学义务教育教科书在探究稀硫酸溶液与金属氧化物反应的实验探究中，均选用Fe2O3作为典型代表物，该反应有明显特征现象（反应后溶液呈黄色），这符合初中生的认知水平。该经典实验在不同版本的教材中其实验设计、药品选用、反应条件、试剂用量、实验操作等方面却不尽相同（见表1）。
从表1可以发现，各个版本教材中稀硫酸和Fe2O3反应的实验编写各有特点。人教版、沪教版、鲁教版采用探究实验，探究性层次要求较高，重视学生科学探究能力的培养，发挥学生的主体性，体现学生主动参与探究过程，建立自主、合作、探究的学习方式和学习习惯;华东师大版、科粤版则采用学生实验的方式展开，其中华东师大版要求学生设计实验方案并操作，要求颇高。编写理念上突出化学学习的好奇心和探究欲，突出学生实践能力、创造能力以及获取新知识能力的培养。而科粤版对实验方案的描述较为严谨且有具体的操作，降低了学生实验的难度;浙教版以教师演示的方式呈现且教材中附有实验现象图。在上述实验方案中，除浙教版采用Fe2O3粉末作为反应物外，其他方案均采用生锈铁钉作为反应物。在反应条件上，除科粤版反应条件需加热外，其他方案均为室温进行或没有明确表明温度条件。
3 实验探索
3.1 实验1 生锈铁钉与稀硫酸溶液反应
首先往锈蚀的螺丝钉（M6×20）加入约5mL左右11.5mol/L（70%）的硫酸溶液，常温条件下反应，可以看到有黑色小颗粒生成。小颗粒在气泡的冲击下上下翻腾，实验中虽能看到溶液呈浅黄色，但由于气泡和碳颗粒的影响，此时的溶液较为混浊并略显灰色，透明性差，反应后试管底部有较多的铁锈从螺丝钉脱落下来沉积在试管底部，反应时间远大于5min。当加热试管时，发现立即产生大量气泡，铁锈随着气泡上下翻腾更为明显，加热大约1min后溶液即出现明显的黄色。由此断定，常温下生锈铁钉虽能够和稀硫酸反应但现象不明显且反应时间较长，加热则可缩短反应时间且现象更为明显。基于此，笔者将生锈铁钉与不同浓度（质量分数）的稀硫酸溶液在加热条件下反应进行对照，實验现象如表2所示。
从表2可以看出，在其他条件相同情况下稀硫酸的浓度（质量分数）越高，反应所需的时间越短，溶液的黄色更为明显，但在反应过程中产生的大量气泡也更为激烈，影响实验效果。姜跟华等[1]对此做出了改进： 将生锈的铁钉用长线扣上，放入试管中，加入稀硫酸并加热试管，当生锈铁钉表面刚好要有大量气泡冒出时，牵出铁钉，使液体与铁钉脱离，继续加强热至液体沸腾，然后冷却。此操作可以较大程度减小铁和硫酸反应对铁锈和硫酸反应带来的干扰，但在实际操作过程中，适时将铁钉牵出比较困难，且此操作从根本上是让Fe2O3单独和稀硫酸反应，和浙教版的实验方案有异曲同工之处，但不如浙教版操作更为简便。在反应条件相同的情况下，长度相当、生满铁锈的螺丝钉和铁钉分别与稀硫酸溶液反应，螺丝钉效果要比铁钉好。并且发现，将螺丝钉长时间放置在稀硫酸溶液中，螺丝钉会出现淡绿色玻璃状结晶，此现象说明生锈铁钉（螺丝钉）与稀硫酸反应往往伴随着铁与硫酸的反应而使溶液颜色呈现黄绿色。
3.2 实验2 Fe2O3粉末与稀硫酸溶液反应
3.2.1 Fe2O3粉末与不同质量分数的硫酸反应
为了减少铁与硫酸反应带来的影响，笔者在实验1的基础上，采用一定量的Fe2O3粉末与一定量不同质量分数的硫酸反应，实验现象如表3所示。
通过实验发现，室温下Fe2O3粉末与稀硫酸溶液反应较难进行且难以出现预期的黄色溶液。通过进一步实验发现，在室温下Fe2O3粉末与稀硫酸溶液虽难以出现黄色溶液，但静置后滴加入1～2滴KSCN后上层清液立刻出现血红色，证明Fe2O3粉末与稀硫酸溶液在室温下能反应。当稀硫酸溶液浓度（质量分数）较低时，即使Fe2O3粉末与稀硫酸溶液在加热条件下反应也不激烈，难以出现黄色溶液，当稀硫酸浓度较高时，在加热情况下与Fe2O3粉末反应时间较短，溶液呈现亮黄色，但1～2min后黄色明显变浅，因为随着温度的升高，溶液透光率下降，即颜色变深;随着温度的下降，溶液的透光率增大，即颜色变浅[2]，而当Fe2O3粉末过量时，由于Fe2O3粉末着色力很强而使溶液呈现明显的红棕色，难以观察到黄色。
通过进一步实验发现，久置的Fe2O3粉末（分析纯）与稀硫酸在加热条件下反应也变得较为困难，这主要是由于久置的Fe2O3粉末大多为α-Fe2O3构型，较难与稀硫酸反应，即使在加热条件下其与稀硫酸的反应也较为困难，而新购置的Fe2O3粉末（分析纯）则较易与稀硫酸在加热情况下反应。 3.2.2 自制Fe2O3粉末
由于久置的Fe2O3粉末（分析纯）较难与稀硫酸反应，笔者尝试利用自制Fe2O3粉末与稀硫酸反应。通常情况下我们通过加热分解Fe（OH）3的方法制取氧化铁，但该反应对实验条件和操作要求均较高，普通初中学校尤其是农村学校较难实现。由于本实验对Fe2O3粉末的纯度要求不高，笔者采用一种较为简单也较易成功的制取方法获取Fe2O3粉末： 取一口废弃铸铁锅，清洗干净加入一定量的水，放置一星期左右，待生成的铁锈较多时将其倒入大烧杯，静置出现分层，小心倒掉上层清液，让其自然干燥，即可得到较多量的Fe2O3粉末;也可取一定量的铁钉，先用酒精洗掉表面的油污，然后用稀盐酸酸洗，再用蒸馏水洗去铁钉表面的残余酸液，将其放入大烧杯中，加入一定量的水（铁钉半置于水中）[3]，待其充分完全锈蚀后用清水冲洗铁钉，洗下铁锈，后面处理方法同上所述。
3.2.3 不同来源Fe2O3粉末与质量分数70%的硫酸反应
4 思考与总结
实验表明，生锈铁钉与稀硫酸反应较为容易，而Fe2O3粉末与稀硫酸反应较为困难，这也是绝大多数教材采用生锈铁钉与稀硫酸反应的主要原因。诚如科粤版（2008年7月第2版）的实验设计，要减少铁钉与硫酸反应对实验的影响，所用的铁钉必须是生满铁锈（主要成分是Fe2O3）的铁钉，但事实上要使铁钉表面布满铁锈也非易事。其他版本设计的实验大多是常温下进行，想要获得理想的实验现象所耗费的时间太长。浙教版虽然避免了铁与稀硫酸反应所带来的影响，但在常温下Fe2O3粉末与稀硫酸难以反应，也不会出现如教材所描述的实验现象。较为理想的实验设计是利用新买（或新制）的Fe2O3粉末在加热情况下与浓度（质量分数）较高的硫酸反应，既可在短时间内完成反应，也能够取得预期的实验效果。但需要注意，实验所需的Fe2O3粉末不宜过多，防止由于Fe2O3着色力太强而导致难以观察到黄色溶液，故稀硫酸的浓度控制在5mol/L（38%）以上为宜。
参考文献：
[1]姜跟華， 包君君. 对生锈的铁钉与稀盐酸、稀硫酸反应的改进[J]. 中学化学， 2012， （1）： 23.
[2]魏锐， 宋万琚， 王磊， 范林， 刘强， 东启云. Fe3+在水溶液中的水解平衡和配位平衡[J]. 化学教育， 2008， （1）： 69.
[3]南京大学《无机及分析化学实验》编写组. 无机及分析化学实验[M]. 北京： 高等教育出版社， 2004： 126.