李俊生

在用砂紙打磨過的20 cm長的2號掛窗簾鐵絲代替鉑絲做焰色反應(yīng)時發(fā)現(xiàn)，鐵絲表面變成黑灰色，很多學(xué)生認(rèn)為是發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并認(rèn)為反應(yīng)的產(chǎn)物是F^e₃O₄（因?yàn)槌踔谢瘜W(xué)做過鐵絲和純氧反應(yīng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)）。這種結(jié)論也得到部分教師的認(rèn)可。那么，事實(shí)真的是這樣嗎？理論和實(shí)驗(yàn)研究表明兩者的生成物是有差異的，具體分析如下。

1實(shí)驗(yàn)研究

取一用砂紙打磨過的20 cm長鐵絲（掛窗簾用），再用蒸餾水沖洗，快速干燥后表面呈現(xiàn)銀灰色，把干燥后的鐵絲一部分置于酒精燈外焰上加熱，這時可觀察到鐵絲接觸到火焰的部分顏色變深，逐漸變?yōu)榛液谏?。繼續(xù)加熱鐵絲呈紅熱狀態(tài)，而灰黑色部分向鐵絲遠(yuǎn)離火焰的方向移動，停止加熱且待鐵絲自然冷卻，與未經(jīng)灼燒的鐵絲對比，處于火焰位置的鐵絲灰黑色加深，而未被火焰加熱到且鄰近火焰加熱部分的鐵絲則變?yōu)樗{(lán)黑色且有光澤，具體情況如圖1所示。

2理論分析

由于鐵在加熱的情況下與空氣中的氧氣反應(yīng)非常復(fù)雜，形成的氧化膜非常薄，限于實(shí)驗(yàn)條件只能進(jìn)行相關(guān)的理論分析，進(jìn)而得出結(jié)論。

2.1在不同的溫度下，鐵與氧氣反應(yīng)產(chǎn)物的分析

研究表明鐵和氧氣發(fā)生的氧化反應(yīng)是非常復(fù)雜的，其影響因素很多，目前尚未建立完善的機(jī)理分析，一般認(rèn)為鐵和氧氣的氧化反應(yīng)比較復(fù)雜，最終的氧化產(chǎn)物既與溫度有關(guān)也與反應(yīng)產(chǎn)物的冷卻速度有關(guān)。當(dāng)溫度低于570 ℃時只生成F^e₃O₄和F^e₂O₃；當(dāng)溫度高于570 ℃時才生成F^eO層和F^e₃O₄層（中間層）以及F^e₂O₃層（最外層），三者的厚度比為100∶10∶1或95∶4∶1。理論研究表明，純鐵在空氣中或純氧中緩慢加熱，經(jīng)歷下列幾個氧化階段。

2.1.1氧氣在金屬表面吸附并得電子形成氧化膜

當(dāng)溫度加熱到200 ℃以前，研究認(rèn)為金屬鐵表面層帶有負(fù)電荷，這些電子可以轉(zhuǎn)移到吸附在金屬鐵表面的O₂上。此時金屬本身轉(zhuǎn)化為F^e3+，而O₂轉(zhuǎn)化為O-2，而后O-2之間借助斥力而分開并重新分布，分布的結(jié)果是O-2被F^e3+離子包圍形成F^e₂O₃薄膜，隨著溫度進(jìn)一步升高，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)6F^e₂

O₃=4F^e₃O₄+O₂，此時形成雙層氧化膜F^e₃O₄～γF^e₂O₃。

當(dāng)溫度加熱到200～400 ℃時，發(fā)生相變γF^e₂O₃→αF^e₂O₃，形成F^e₃O₄～αF^e₂O₃兩層結(jié)構(gòu)，并且當(dāng)溫度加熱到400～575 ℃時，在αF^e₂O₃層之下，F(xiàn)^e₃O₄層長大為較厚膜層。

當(dāng)溫度高于575 ℃時，在F^e₃O₄層之下開始生成F^eO，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)2F^e₃O₄=6F^eO+O₂或F^e₃O₄+F^e=4F^eO，氧化膜從里到外由F^eO—F^e₃O₄—F^e₂O₃ 3層組成。

2.1.2鐵的氧化物膜層的增長

伴隨著鐵的不同形式的氧化物的出現(xiàn)，隨之而來的就是不同形式的氧化物膜層的增長。研究認(rèn)為，F(xiàn)^eO、F^e₃O₄都為P型半導(dǎo)體，而F^e₂O₃都為N型半導(dǎo)體，當(dāng)鐵絲加熱到570 ℃以上時在F^e/F^eO界面上，鐵失電子，F(xiàn)^e=F^e2++2e-，F(xiàn)^e2+和e-分別經(jīng)過鐵離子空穴向外擴(kuò)散；達(dá)到F^eO/F^e₃O₄界面時，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)F^e2++2e-+F^e₃O₄=4F^eO，并不斷地提供F^e2+、F^e3+。經(jīng)過F^e₃O₄四面體或八面體空位擴(kuò)散，電子經(jīng)空穴遷移，在F^e₃O₄/F^e₂O₃界面形成F^e₃O₄，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為F^en++ne-+4F^e₂O₃=3F^e₃O₄，其中n值為2或3；如果F^e3+或e-經(jīng)過空穴向外擴(kuò)散，這時會在F^e₂O₃/O₂界面發(fā)生4F^e3++12e-+O₂=2F^e₂O₃，在此界面上同時發(fā)生O₂+4e-=2O-2。此時O-2離子在F^e₂O₃層內(nèi)向內(nèi)擴(kuò)散，在F^e₃O₄/F^e₂O₃界面上發(fā)生反應(yīng)2F^e3++3-O₂=F^e₂O₃，這時向外遷移的e-使O₂離子化。在這個過程中，3層氧化膜都得到了增加，當(dāng)然鐵絲里面存在一定量的碳，這些碳會影響氧化膜和鐵的粘附性，具體情況如圖2所示。

3層氧化膜以及增長機(jī)制

2.2在一定溫度下鐵和氧氣反應(yīng)的產(chǎn)物隨溫度降低的快慢，產(chǎn)物形式變化情況的分析

反應(yīng)后的冷卻溫度的快慢也影響著生成物的微觀組成，X-射線衍射分析表明冷卻溫度對產(chǎn)物組成的影響有如下規(guī)律。

（1）快冷條件下產(chǎn)物中，F(xiàn)^eO（82.6%），F(xiàn)^e₃O₄（17.4%），快冷時產(chǎn)物與鐵基體附著力較強(qiáng)，F(xiàn)^e₃O₄層厚度均勻。

（2）慢冷條件下產(chǎn)物中F^eO（63.4%），F(xiàn)^e₃O₄（29.8%），F(xiàn)^e₂O₃（6.8%）；這時產(chǎn)物與鐵基體附著力較弱，F(xiàn)^e₃O₄層厚度不均勻，分布不規(guī)則，且慢冷時F^eO層內(nèi)有零散分布的F^e₃O₄析出。

3鐵絲在空氣中加熱實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析以及反應(yīng)產(chǎn)物的確認(rèn)

通過1實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)鐵絲加熱出現(xiàn)的現(xiàn)象較豐富，但是為了分析可以把復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加以歸類研究，具體情況如下。

（1）加熱時鐵絲逐漸變?yōu)榛液谏?/p>

（2）繼續(xù)加熱，灰黑色向溫度低的方向移動。

（3）自然冷卻后處于火焰部分灰色加深，緊鄰火焰且未被灼燒的部分出現(xiàn)藍(lán)黑色有光澤。

研究表明，酒精燈火焰的溫度為：焰心的平均溫度598 ℃，內(nèi)焰的平均溫度783 ℃，外焰的平均溫度667 ℃，鐵的熔點(diǎn)為1 534 ℃。結(jié)合上面的有關(guān)數(shù)據(jù)以及鐵的熔點(diǎn)溫度，認(rèn)為在空氣中用酒精燈外焰加熱用砂紙打磨過的鐵絲后，應(yīng)該形成以加熱點(diǎn)為中心向外溫度逐漸降低的溫度場。由于當(dāng)溫度高于575 ℃時，氧化膜從里到外由F^eO—F^e₃O₄—F^e₂O₃ 3層組成，且三者的厚度比為100∶10∶1或95∶4∶1，所以會出現(xiàn)加熱時鐵絲逐漸變?yōu)榛液谏?，繼續(xù)加熱，灰黑色向溫度低的方向移動。由于存在以加熱點(diǎn)為中心向外溫度逐漸降低的溫度場，因此這種灰黑色向溫度低的方向移動的過程是一個氧化膜逐漸變薄的過程。研究表明，當(dāng)這種氧化膜的厚度超過2.5 μm時，顏色表現(xiàn)為灰黑色，而當(dāng)氧化膜的厚度在0.6～1 μm時，顏色表現(xiàn)為藍(lán)黑色有光澤，所以才會出現(xiàn)灰黑色到藍(lán)黑色的變化。另一方面加熱完畢后冷卻是在室溫下進(jìn)行，這種冷卻應(yīng)該是一種緩慢的冷卻，冷卻對氧化產(chǎn)物的影響自然是存在的，前面的理論分析認(rèn)為緩慢冷卻后的產(chǎn)物組成是F^eO（63.4%）-F^e₃O₄（29.8%）-F^e₂O₃（6.8%），整個的加熱或冷卻過程中F^eO或F^e₃O₄是主要的氧化產(chǎn)物，F(xiàn)^e₂O₃的量很少，因此F^e₂O₃對鐵絲加熱或冷卻的顏色變化影響并不顯著，這可以從實(shí)驗(yàn)過程中鐵絲的顏色變化情況得到證明。

4教學(xué)建議

日常生活或?qū)W習(xí)中我們經(jīng)常遇到鐵絲在空氣中加熱出現(xiàn)的類似實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也會有學(xué)生問起類似實(shí)驗(yàn)問題的現(xiàn)象如何解釋以及現(xiàn)象產(chǎn)生的原理問題，比如：焰色反應(yīng)中鋼絲代替鉑絲（這時類似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯）、不銹鋼餐具碰到高溫?zé)嵩?、鋸片或刀片受到高溫等問題都與鐵絲在空氣中加熱出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有關(guān)聯(lián)。因此，教學(xué)中對這類問題應(yīng)該有一個比較符合學(xué)生認(rèn)知的解決問題策略，問題解決最好不要涉及過多的理論解釋，避免使問題的復(fù)雜化而引起學(xué)生理解困難。對此建議如下。

鐵絲在空氣中加熱主要是生成了內(nèi)層為F^eO、外層為F^e₃O₄的氧化物薄膜，化學(xué)反應(yīng)方程式可認(rèn)為是：3F^e+2O₂ΔF^e₃O₄、

F^e₃O₄+F^eΔ4F^eO。

當(dāng)生成的這種薄膜比較厚時，表現(xiàn)為灰黑色；生成的這種薄膜較薄時，表現(xiàn)為藍(lán)黑色有光澤。

上述教學(xué)建議可以較好地解決鐵絲在空氣中加熱過程中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及類似實(shí)驗(yàn)問題。按照上述兩點(diǎn)教學(xué)，不會使學(xué)生對問題的理解造成困難，同時也較好地解決了學(xué)生在現(xiàn)有知識背景下理解鐵絲代替鉑絲做焰色反應(yīng)時鐵絲表面顏色變化的問題，對全面認(rèn)識焰色反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，培養(yǎng)學(xué)生觀察問題的能力以及解決問題的能力等具有重要意義。