李妍 王秋 楊梅

摘要：基于鐵及其氧化物性質(zhì)、氫氧化鐵膠體制備、三氯化鐵水解、乙醇催化氧化反應(yīng)、鐵離子亞鐵離子檢驗(yàn)、苯酚顯色反應(yīng)、炭的還原性、活性炭的吸附性等相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)了“粉筆實(shí)驗(yàn)”與“濾紙實(shí)驗(yàn)”系列實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用知識(shí)與實(shí)驗(yàn)探究能力。

關(guān)鍵詞：鐵及其化合物；粉筆實(shí)驗(yàn)；濾紙實(shí)驗(yàn)；綜合實(shí)驗(yàn)探究；活動(dòng)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1005–6629（2016）8–0047–03 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 設(shè)計(jì)背景

鐵在地殼中含量?jī)H次于氧、硅和鋁，鐵及其化合物是元素化學(xué)的重要內(nèi)容，在高中化學(xué)1、選修4、選修5及選修6等模塊都有涉及。鑒于鐵及其化合物相關(guān)知識(shí)在高中化學(xué)課程中的綜合性與學(xué)習(xí)價(jià)值，可以在高二下學(xué)期進(jìn)行鐵及其化合物綜合實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能，全面培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2 “粉筆實(shí)驗(yàn)”探究

氯化鐵是揮發(fā)性酸所對(duì)應(yīng)的弱堿離子鹽，其水溶液加熱蒸發(fā)可制得氫氧化物，灼燒后得到氧化物。常規(guī)實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作較復(fù)雜，用時(shí)較長(zhǎng)，產(chǎn)物中有氯化氫會(huì)污染環(huán)境。在實(shí)際教學(xué)中不易進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，也不易鍛煉學(xué)生關(guān)于氯化鐵水解等方面的實(shí)驗(yàn)探究能力。為此有文章對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下改進(jìn)[1]。

[實(shí)驗(yàn)步驟]用鑷子夾取粉筆，蘸取足量氯化鐵溶液，在酒精燈上加熱3～5min，觀察粉筆表面顏色的變化。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]可以觀察到粉筆顏色變化：黃色→紅褐色→鐵銹紅色→黑色。

[問(wèn)題]氯化鐵加熱水解變?yōu)闅溲趸F，灼燒后變?yōu)檠趸F，再繼續(xù)灼燒有黑色物質(zhì)生成。猜想黑色物質(zhì)是如何生成的？

[學(xué)生猜想]猜想一：酒精不完全燃燒的產(chǎn)物；猜想二：酒精與粉筆反應(yīng)的產(chǎn)物；猜想三：酒精還原氧化鐵的產(chǎn)物。

[實(shí)驗(yàn)探究]（1）用鑷子夾取一支粉筆直接在酒精燈上加熱，觀察其顏色變化。顏色沒(méi)有變黑，猜想一錯(cuò)誤。（2）粉筆的主要成分為硫酸鈣，根據(jù)其物理性質(zhì)，不溶于乙醇等多數(shù)有機(jī)溶劑，也不與乙醇發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，猜想二錯(cuò)誤。（3）猜想三類(lèi)似于教材中乙醇還原氧化銅的演示實(shí)驗(yàn)。

在教材實(shí)驗(yàn)及上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)：利用粉筆的強(qiáng)吸附性，加熱后能產(chǎn)生較為均勻的酒精蒸氣，用浸潤(rùn)了酒精的粉筆代替酒精蒸氣的發(fā)生裝置，簡(jiǎn)單安全。將浸有酒精的粉筆和氧化鐵放置于硬質(zhì)玻璃管中，加熱氧化鐵。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。有黑色物質(zhì)產(chǎn)生，證明黑色物質(zhì)是酒精還原氧化鐵的產(chǎn)物。

[問(wèn)題]黑色物質(zhì)的成分是什么？

[學(xué)生猜想]猜想一：鐵單質(zhì)；猜想二：氧化亞鐵；猜想三：四氧化三鐵。

[實(shí)驗(yàn)探究]（1）取適量黑色物質(zhì)于濾紙上，將磁鐵放在濾紙下左右移動(dòng)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。（2）將適量的黑色物質(zhì)溶于足量的稀鹽酸，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

[分析現(xiàn)象]實(shí)驗(yàn)1：觀察到黑色物質(zhì)隨磁鐵移動(dòng)，可知黑色物質(zhì)具有磁性，說(shuō)明黑色物質(zhì)不是氧化亞鐵。實(shí)驗(yàn)2：無(wú)氣泡產(chǎn)生，說(shuō)明無(wú)單質(zhì)鐵。

[實(shí)驗(yàn)探究]驗(yàn)證黑色物質(zhì)是否為四氧化三鐵。由四氧化三鐵的組成可知，四氧化三鐵中既有二價(jià)鐵又有三價(jià)鐵，啟發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行補(bǔ)充、擴(kuò)展。

（1）驗(yàn)證其中含有二價(jià)鐵的方法：取適量黑色物質(zhì)于試管中，方法1，加入適量稀硝酸，有無(wú)色氣體生成，到管口時(shí)變紅棕色。方法2，加入適量酸性高錳酸鉀溶液，溶液褪色。教師還可補(bǔ)充拓展，介紹方法3，取適量黑色物質(zhì)于試管中，加入適量稀鹽酸，再加入適量赤血鹽{K3[Fe（CN）6]}溶液，有藍(lán)色沉淀生成{反應(yīng)原理：3Fe2++2[Fe（CN）6]3-=Fe3[Fe（CN）6]2，產(chǎn)物俗稱(chēng)騰氏藍(lán)，為藍(lán)色沉淀}。

（2）驗(yàn)證其中含有三價(jià)鐵的方法：取適量黑色物質(zhì)于試管中，加入適量稀鹽酸，再用方法1，加入適量硫氰化鉀溶液，溶液變成血紅色?；蛴梅椒?，加入適量苯酚溶液，溶液變成紫色。教師還可補(bǔ)充拓展，介紹方法3，加入適量黃血鹽{K4[Fe（CN）6]}溶液，有藍(lán)色沉淀生成{反應(yīng)原理：4Fe3++3[Fe（CN）6]4-=Fe4[Fe（CN）6]3，產(chǎn)物俗稱(chēng)普魯士藍(lán)，為藍(lán)色沉淀}。

[問(wèn)題]考慮到溶液中可能會(huì)含有其他具有還原性的離子，會(huì)干擾溶液中亞鐵離子的檢驗(yàn)。如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案才能更嚴(yán)密呢？（教師提示，利用活性炭的特性：可以吸附生成物硫氰化鐵，不能吸附溶液中的亞鐵離子）

[實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)]學(xué)生根據(jù)提示，查閱相關(guān)資料，經(jīng)小組討論后設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方法：在盛有黑色物質(zhì)的試管中，加入適量稀鹽酸，再加入適量硫氰化鉀溶液，溶液變?yōu)檠t色，證明溶液中含有三價(jià)鐵離子。然后向試管中加入活性炭至溶液變?yōu)闊o(wú)色，接著向試管中加入適量硫氰化鉀溶液，溶液不變色。接著向試管中加入適量雙氧水溶液，再加入適量硫氰化鉀溶液，溶液變?yōu)檠t色，證明溶液中有亞鐵離子[2]。

[小結(jié)]“粉筆實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單新穎，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰明顯。其中酒精還原氧化鐵的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，是教材中乙醇還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與拓展，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)源于教材而高于教材。實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中的問(wèn)題生成有很強(qiáng)的邏輯性與挑戰(zhàn)性，有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S能力與創(chuàng)新意識(shí)。

3 “濾紙實(shí)驗(yàn)”探究

[背景資料]濾紙主要成分是纖維素，在受熱時(shí)會(huì)脫水產(chǎn)生具有還原性的炭。在濾紙上還原Fe3+，實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單方便，現(xiàn)象明顯，新穎有趣。關(guān)于此實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物存在不同看法[3～5]，很有探究意義。

[實(shí)驗(yàn)過(guò)程]首先用酒精燈點(diǎn)燃一張普通濾紙，可以看到普通濾紙迅速燃燒起來(lái)。然后拿出兩張事先蘸有氯化鐵溶液的濾紙，用酒精燈點(diǎn)燃其中一張濾紙，可以看到蘸有氯化鐵溶液的濾紙不像普通濾紙那樣迅速燃燒，而是很快變黑，同時(shí)伴隨著紅熱現(xiàn)象。取另一張濾紙，將其折成紙條，同樣地在酒精燈上點(diǎn)燃，可以看到折成紙條的濾紙同樣變黑，但是紅熱現(xiàn)象并不明顯。反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)生了黑褐色產(chǎn)物[6]。有研究推測(cè)，這種產(chǎn)物中含有金屬鐵，并且從鐵具有磁性、導(dǎo)電性、在氧氣中可以燃燒這三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。黑褐色產(chǎn)物隨磁鐵的移動(dòng)而移動(dòng)，能被磁鐵吸引，說(shuō)明其具有磁性；用自制驗(yàn)電器的導(dǎo)線兩端連在產(chǎn)物的兩側(cè)，驗(yàn)電器指示燈變亮，揚(yáng)聲器發(fā)聲；取少量產(chǎn)物放在集滿(mǎn)純氧的集氣瓶中，看到火星四射的現(xiàn)象。根據(jù)以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)證明產(chǎn)物是金屬鐵。

[提出問(wèn)題]我們知道有磁性的物質(zhì)不一定是鐵單質(zhì)，還有可能是四氧化三鐵。黑色物質(zhì)可以導(dǎo)電，但一定是金屬導(dǎo)電嗎？有沒(méi)有可能是點(diǎn)燃濾紙后生成的炭導(dǎo)電呢？黑色物質(zhì)在氧氣中燃燒產(chǎn)生明亮的光，這個(gè)現(xiàn)象會(huì)不會(huì)是炭在氧氣中燃燒的現(xiàn)象呢？生成的產(chǎn)物是鐵單質(zhì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論是否合理？基于以上問(wèn)題，學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行探究。

[分析討論]其實(shí)，“粉筆實(shí)驗(yàn)”與此實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過(guò)程是一致的。其反應(yīng)過(guò)程都是由氯化鐵加熱水解生成氫氧化鐵，再加熱生成氧化鐵，然后用酒精或炭還原氧化鐵得到一種物質(zhì)。完全可以用“粉筆實(shí)驗(yàn)”中產(chǎn)物成分的探究方法，來(lái)說(shuō)明“濾紙實(shí)驗(yàn)”中的產(chǎn)物不是鐵單質(zhì)，其主要成分是四氧化三鐵。

[小結(jié)]“濾紙實(shí)驗(yàn)”簡(jiǎn)單有趣，探究問(wèn)題源于對(duì)已有研究的質(zhì)疑，鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案證實(shí)質(zhì)疑，巧妙運(yùn)用先前的“粉筆實(shí)驗(yàn)”的探究方法與學(xué)習(xí)成果。教師對(duì)驗(yàn)證方法的拓展，開(kāi)闊了學(xué)生視野，培養(yǎng)了理性思維意識(shí)。

4 教學(xué)反思

鐵及其化合物的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，綜合運(yùn)用了鐵及其氧化物性質(zhì)、氫氧化鐵膠體制備、三氯化鐵水解、乙醇氧化反應(yīng)、苯酚顯色、炭的還原性以及活性炭的吸附性等相關(guān)知識(shí)。鐵及其化合物的綜合實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)既能很好地考察和訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，使學(xué)生經(jīng)歷提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、進(jìn)行猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、最終得出結(jié)論的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，又能使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究的學(xué)習(xí)方法，切實(shí)感受到利用實(shí)驗(yàn)來(lái)解決化學(xué)問(wèn)題的重要意義。對(duì)實(shí)驗(yàn)中的一些方法進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充與拓展，又進(jìn)一步豐富了學(xué)生知識(shí)，開(kāi)闊了學(xué)生視野。

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