铁生锈实验的再改进

摘要：对已有的铁生锈实验进行归类、分析，结合义务教育化学课程标准中实验探究活动的相关建议和要求，利用钢丝棉、软塑料吸管、恒温加热杯垫等物品对该实验进行了再改进。改进后的实验具有装置简单、操作便捷、实验高效、试剂节省、温度可控、拓展性强等优点，可以作为中学生开展深度学习与自主合作学习的探究实验。关键词：铁生锈；钢丝棉；塑料吸管；实验改进1问题及概述“探究铁钉生锈的条件”［1］是《义务教育化学课程标准（2022年版）》“科学探究与化学实验”“物质的性质与应用”两大学习主题中学习活动建议的实验探究活动。该实验探究活动由于能帮助学生经历真实的探究过程，增进学生对化学科学探究本质的理解，形成科学的探究思路与方法，发展学生科学探究能力和创新意识，在现行不同版本的教材中一直被作为重要教学内容。该实验虽具有装置简约、易操作等优点，但都存在实验耗时长、空间跨度大、实验结果反馈不及时等问题。为此众多化学工作者对其进行了创新改进。汪前进［2］等利用钢丝棉等“细铁丝”增大铁与氧气、水（或食盐水）的接触面积（如图1所示），将铁生锈的实验现象从几天缩减到2天～40min。但这类实验装置仍耗时较长，不便于教师携带与学生使用，还缺少铁分别与氧气和水单独作用的对比实验。李娜［3］等设计的“供氧”装置（如图2所示），通过向装置中持续通入纯净的氧气使铁丝能在5～10min内快速生锈。同时，还能避免空气中其他成分对实验产生的影响，快速完成铁丝和氧气在有水或无水环境下的对比实验。但这类装置也存在制氧试剂用量大、不便携带、组装繁琐等问题。潘国荣［4］研究发现利用70℃左右的热水对装有蒸馏水、空气和铁钉的试管进行水浴加热，可在3min左右观察到铁钉表面出现锈斑，若向试管中的水加入酸或盐等电解质会使铁钉锈蚀更快。但该实验所用的铁钉需在实验前用稀酸作表面处理，且洗净后要迅速干燥密封保存备用。做对比实验时，还需要用镁条去除蒸馏水中残留的氧气再进行实验，以防止浸没在蒸馏水中的铁钉生锈对实验结果产生影响。同时，由于该实验的教学时段在冬季，实验发现在烧杯中倒入200mL70℃的热水进行水浴加热，水温下降很快，铁钉表面升温慢，导致生锈速率减慢。刘广斌［5］利用经过打磨除锈、碱液去油、氩气快速干燥处理的铁片，在“真空袋”中用抽气泵进行“充氧”和“除氧”对比实验。虽能在“充氧”的情况下2min左右观察到铁片表面出现锈迹。但上述实验存在常规仪器使用少、氧气用量多、氩气不易找、前期准备复杂、处理后的铁片需真空保存、不利于日常教学使用等问题。通过对上述已有改进实验的对比分析，在吸取这些实验优点的基础上，创新设计了如图3所示的改进装置。经多次实验验证，该装置携带更加方便，师生操作更加简单，实验现象呈现更快，有利于日常教学使用。2实验部分2.1实验用品钢絲棉（规格0000#）、250mL小烧杯、15mm×150mm试管（容积约为25mL）若干、胶头滴管、橡胶塞、100mL装有氧气的医用注射器1支、50mL医用注射器1支、微型二通阀、注射用塑料软管、盛热水的保温杯、恒温加热杯垫、PP（聚丙烯）材质白色软塑料吸管（管径12mm）、剪刀、碎瓷片2.2制作方法（1）将白色PP（聚丙烯）材质的软塑料吸管下端50mm长的区域先压扁，再用剪刀在该区域两个侧面分别斜向上剪口约8mm，再将塑料软管旋转90°压扁再剪口。然后，将剪成“V”形口的塑料片向上翻出形成开孔，具体操作如图4所示。（2）取少许钢丝棉拉制成直径约为100mm、厚度仅为1mm的薄钢丝网。按图5所示步骤，利用开孔的塑料吸管将薄钢丝网推入试管内，并借助塑料吸管表面上翻的“V”形塑料片将钢丝棉紧压在试管内壁制得“备用试管”。2.3操作步骤（1）将保温杯中的热水约200mL注入装有碎瓷片的烧杯中，放在恒温加热垫上加热至沸腾后切换至二档加热，并维持85℃的水温。加热过程中用50mL注射器吸取烧杯中约25mL热水，向一支备用试管③中注满热水，并用橡胶塞塞紧放入烧杯中继续水浴加热。（2）另取一支备用试管①，用胶头滴管取烧杯中的热水约2mL加入该试管中。（3）用装有100mL纯净氧气的注射器，打开二通阀分别向装有2mL热水的备用试管①和没有装水的备用试管②中缓慢各注入约30mL氧气，并用橡胶塞塞紧后充分振荡。（4）将上述两支备用试管振荡后，同时放入烧杯中加热，并观察三支试管中的实验现象。具体实验操作步骤，如图6所示。2.4注意事项（1）选用管径为12mm的白色PP（聚丙烯）材质软塑料吸管，在管壁上剪出“V”形口。上翻的“V”形塑料片不仅利于钢丝棉紧贴在试管内壁，管壁的开孔还能使钢丝棉与氧气充分接触，便于钢丝棉在水浴加热的情况下快速生锈。同时，选用白色塑料吸管除了具有可重复利用的优点外，还方便在实验中观察钢丝棉生锈的现象。（2）通过对不同规格钢丝棉在85℃的水浴中与纯氧和蒸馏水共同作用时生锈快慢的研究（见表1），发现选用规格为0000#的钢丝棉用于实验效率最高。若遇钢丝棉在空气中久置存放实验效果不佳时，则可用稀酸对钢丝棉进行浸泡处理，再用蒸馏水洗净后用于实验，能达到同样的效果。（3）实验中须使用85℃恒温水浴进行加热。通过实验发现，使用100℃沸水浴持续进行加热，不仅会使钢丝棉表面生成黑色的四氧化三铁，导致观察不到红棕色铁锈产生的现象，还会因为水沸腾过程中不断产生的气泡，影响实验现象的观察。（4）加热过程中烧杯底部需铺一层颗粒较小的碎瓷片，防止水爆沸溅出。（5）刚加热结束的恒温杯垫应注意避免接触性烫伤。3实验再改进的优点3.1操作便捷易调控，现象明显、实验效率高改进后的装置只需通过“注热水→通电源→加热水→通氧气→共水浴”等五步简单操作，即可在2分钟以内观察到钢丝棉生锈的现象，有利于提高课堂效率。同时，实验中可通过调节恒温加热杯垫档位与添加冷水的量，能实现快速调控烧杯中的水温，从而探究温度高低对铁锈蚀快慢的影响情况（见表2）。3.2节约药品，有益拓展探究利用改进后的装置进行实验，氧气用量明显减少。在纯氧环境下，即使不使用干燥剂，处于85℃水浴中的钢丝棉在试管中也不会生锈。同时，在没有蒸馏水的情况下，使用煮沸的普通饮用水注入备用试管中进行实验，对实验现象无明显影响。该装置不仅可以探究铁生锈的条件，还可用注射器控制通入试管中氧气的量，探究不同浓度氧气对铁生锈快慢的影响（见表3）。同时，也可用注射器向试管中加入等量且等浓度的醋酸、氨水、氯化钠等溶液，快速探究酸、碱、盐等不同电解质对铁锈蚀快慢的影响（见表4），增强了实验的拓展性、探究性和趣味性。3.3引导深度学习，有助开展自主学习利用改进装置的可拓展性与易操作性，在教师的引导下学生利用注射器和胶头滴管控制添加试剂的种类与用量，可快速实现从单一环境到复杂环境、从定性到定量、从相似环境到陌生环境的分层递进式深度学习过程。这不仅可以为学生高中化学的学习衔接铺路，也能辅助教师针对“化学大概念”［6］开展大单元教学设计。将该实验装置在我校10个教学班级中进行实践应用，还发现學习小组的同学都能根据实验中的现象，提出铁生锈的快慢与温度、氧气浓度、钢丝棉的粗细等有关的探究性问题。并且能利用该实验装置对提出的问题在课堂中开展自主合作探究，实现学生从引导式的探究学习过程，自然过渡到有深度的自主学习过程。总之，通过本实验的改进不仅让师生实验操作更加便捷，现象更加明显，结论更加可靠，也为师生的教与学提供了更好的拓展空间，帮助教师和学生在课堂中形成生成性的学习资源，让课堂探究过程更具有自主性与可操作性，让学生在课堂中真正实现“做中学”“用中学”“创中学”。参考文献：［1］义务教育化学课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.［2］关于铁生锈实验的改进［J］.