铁生化课堂演示实验的改进

铁生化课堂演示实验的改进

1铁钉植物的生长经教育部批准，由中华人民共和国国家教育通过，九年级《化学书》第二版《金属和材料》第三部分《金属资源使用和保护》。其中以铁为例进行了深入探究,以实验探究的方法探究了铁制品锈蚀的条件。鲁教版九年级下册第七单元第三节“钢铁的锈蚀与防护”、苏教版九年级下册第八单元第三节“金属资源的利用和防护”中也涉及到了相关知识。以人教版为例,课本中演示实验如下:取三支试管,第一支试管内装入洁净无锈的铁钉和经煮沸后迅速冷却的蒸馏水,使铁钉上端约四分之一露出水面,不封口;第二支试管内装入洁净无锈的铁钉和经煮沸后迅速冷却的蒸馏水及植物油,水面与铁钉上部相平,植物油高度约为铁钉高度四分之一,不封口;第三支试管内放入洁净无锈的铁钉,试管口塞一团棉花,棉花上放适量无水氯化钙。每天观察铁钉锈蚀的现象,连续观察约一周,记录并交流。此方法可以让学生观察到铁钉最终生锈了的现象,同时通过几组实验的对比,了解到铁钉生锈是需要同时与空气、水相接触的。但该实验存在如下弊端:实验只探究了铁接触氧气与水后腐蚀生锈的情况,没有做其他影响条件的深入讨论;耗时较长,由开始实验到观察到实验现象需要一周,这不符合课堂实验的要求。初中生处于好奇心较强,但注意力易分散,自觉性不够的发展阶段,这样的实验探究可能不能达到预期的效果。在实际教学中,很多老师采取提前做好实验,让实验现象显示出来后,在课堂上直接向学生展示的方式来弥补这一弊端,但这样的做法让学生无法直观的观察到铁生锈的全过程。因此,近年来期刊杂志上出现了很多关于“铁生锈”实验的改进。大多数实验改进都是从实验装置、铁的形态、铁中所含杂质、空气湿度、氧含量、水质等方向进行探究。通过仔细研读整个中学阶段化学教科书,将相关中学化学知识点进行联系,并在前人的研究基础上加以深化,笔者发现,可利用原电池反应原理使铁钉生锈的速率加快。化学教学中实验探究为最基础的教学手段,在课堂上采用现场演示并产生直观的现象的实验能更好的引起学生的注意并激发学生的探知欲望,尤其对于铁生锈这种身边常见的变化,在课堂上如果能很快地将其展示出来,一堂好课就已经成功了一半。笔者通过对能斯特方程进行分析,依次探讨电解质的种类、电解质的浓度、介质环境、温度等条件对“铁生锈”速率的影响,改变这些条件可以弥补原实验的不足之处:演示实验时间短而现象明显。2红色沉淀观察分别将不同电解质配制成所需浓度的溶液,滴加到一定体积蒸馏水中,调节介质环境,并控制温度,将光亮铁钉置于溶液中,一段时间后,产生红色沉淀,观察现象并记录。将红色沉淀溶于盐酸,滴加几滴亚铁氰化钾溶液,若溶液变为蓝色,则红色沉淀为铁锈。3Fe(CN)64-+4Fe3+=Fe4[Fe(CN)6]3(普鲁士蓝)3试验现象和结果与讨论3.1铁钉表面铁钉与k、na、cacl2对铁钉的促进作用方婷研究表明:Cl-比SO42-对铁生锈更具有促进作用,由于Cl-穿透力极强,极易穿透金属表面的氧化膜,从而加速电化学反应的进行,故本实验选取的盐溶液均为氯化物。在室温条件下,分别秤取3gCuCl2、KCl、NaCl、CaCl2于4个烧杯中,各加入47g水配置成质量分数为6%的溶液,取4枚同规格铁钉,用砂纸打磨光亮置于干燥处,取4支洁净试管置于试管架上,编号1~4,分别加入5ml蒸馏水,再依次滴加2滴已配置的同质量分数的不同溶液,并摇晃混合均匀,将打磨待用的4支铁钉同时加入4支试管,计时并观察水面下铁钉表面及溶液现象,试验现象见表1。取少量红色沉淀溶于盐酸,加入K4[Fe(CN)6]溶液后出现蓝色沉淀,证明红色沉淀为铁锈。试验现象表明:KCl、NaCl、CaCl2并不能很好地促进铁生锈,推测可能是因为K、Na、Ca金属活动性强于铁;铁钉在加入了CuCl2的溶液中生锈现象更明显,与方婷在《铁钉生锈实验新设计》中的结论:由置换反应引发和Cl-的存在使生锈更快相一致。3.2cucl2质量分数对铁钉感官标准的影响在室温条件下,分别秤取0.5g、5g、10gCuCl2固体于三个洁净小烧杯,依次加入49.5g、45g、40g蒸馏水溶解配置成质量分数为1%、10%、20%的CuCl2溶液待用,取3枚同规格铁钉,用砂纸打磨光亮置于干燥处备用,取3支洁净试管置于试管架上,编号,分别加入5ml蒸馏水,再依次滴加2滴已配置的不同浓度的CuCl2溶液,并摇晃混合均匀,将打磨待用的3支铁钉同时加入3支试管,计时并观察现象,确定便于实验进行的浓度范围,再在适合范围内减小浓度梯度差配制溶液,编号,重复上述实验确定具体适宜浓度,试验现象见表2。取少量红色沉淀溶于盐酸,加入K4[Fe(CN)6]溶液后出现蓝色沉淀,证明红色沉淀为铁锈。试验现象表明:溶液中CuCl2浓度越高铁钉生锈速率越快,效果越明显,课堂演示实验一般要求能在3~5分钟内观测到结果,溶液中CuCl2浓度过高会使铁钉生锈速度过快,学生来不及观察过程变化,不能满足课堂演示实验的要求;CuCl2质量分数在5%~10%之间时实验现象明显,便于观察;考虑到课堂实验的时效性要求,7%~9%的CuCl2适合实验操作,后续试验以7%为标准。3.3铁与酸hcl的置换反应若处于碱性环境下,Cu2+、Fe3+、会与OH-形成沉淀,干扰实验进行,故本实验只采取处于不同酸度下进行对比,不考虑碱性环境。配置浓度分别为2mol/L、1mol/L、0.5mol/L、0.1mol/L、0.05mol/L、0.01mol/L的HCl溶液;取6枚同规格铁钉,用砂纸打磨光亮置于干燥处,取6支洁净试管置于试管架上并编号,分别加入5ml蒸馏水、2滴已配置的质量分数分别为7%的CuCl2溶液,并摇晃混合均匀,再依次滴加2滴不同浓度的HCl溶液,摇晃使其混合均匀,将打磨待用的6支铁钉同时加入6支试管;计时并观察现象,试验现象见表3。取少量红色沉淀溶于盐酸,加入K4[Fe(CN)6]溶液后出现蓝色沉淀,证明红色沉淀为铁锈。试验现象表明:加入的HCl浓度过高时观察不到生成铁锈的现象,推测是由于铁与酸发生置换反应;当滴加的HCl浓度为0.05mol/L、0.01mol/L时由于浓度太低,与未滴加HCl时的实验现象相对比相差不大;滴加的HCl为0.1mol/L时,生锈速率与未滴加盐酸时相比明显加快。3.4水温对铁钉螺的除杂试验温度对测定取4枚铁钉打磨干净,取4支试管置于试管架上,分别加入5ml蒸馏水、2滴7%CuCl2溶液;加热两杯500ml的自来水至沸腾;取4个100ml的烧杯,分别往4个烧杯内加入不同量的热水与冷水,放入温度计测量温度,使4个烧杯内水温依次为15℃、35℃、55℃、75℃,且液面略低于烧杯壁;将备用的4支试管放入烧杯内预热1分钟,使试管内液体温度与烧杯内温度相等,将打磨好的铁钉放入试管;观察实验现象与温度计示数,调节水温稳定,观察并记录,现象记录见表4。取少量红色沉淀溶于盐酸,加入K4[Fe(CN)6]溶液后出现蓝色沉淀,证明红色沉淀为铁锈。试验现象表明:温度高时现象出现更快,推测产生的气体为氢气,伴随有析氢腐蚀发生;为满足课堂实验要求,室温下进行该实验即可。4实验结果与分析对于铁生锈的实验,笔者通过查阅资料以及一系列的实验操作得到如下结论:在5ml蒸馏水中滴加2滴7%的CuCl2溶液,再滴加2滴0.1mol/L的HCl对实验促进效果最明显,实验在室温下进行效果最佳,在最佳条件下重复多次实验,重现性较好,5分钟内可以完成实验,有明显红色沉淀。取少量红色沉淀溶于盐酸,加入K4[Fe(CN)6]溶液后出现蓝色沉淀,证明红色沉淀为铁锈。作为一个中学课堂演示实验,本次实验改进探究是比较成功的:实验可以控制在5分钟左右,实验成功率大大提高,现象明显。其中利用原电池原理的电化学腐蚀与九年级上册第二单元中电解水制取氧气的实验相关,