周良建 錢勝 涂洪亮 陳勇

摘要： 對(duì)已有的鐵生銹實(shí)驗(yàn)進(jìn)行歸類、分析，結(jié)合義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的相關(guān)建議和要求，利用鋼絲棉、軟塑料吸管、恒溫加熱杯墊等物品對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了再改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有裝置簡單、操作便捷、實(shí)驗(yàn)高效、試劑節(jié)省、溫度可控、拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以作為中學(xué)生開展深度學(xué)習(xí)與自主合作學(xué)習(xí)的探究實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 鐵生銹； 鋼絲棉； 塑料吸管； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 10056629（2024）01007504

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題及概述

“探究鐵釘生銹的條件”［1］是《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》“科學(xué)探究與化學(xué)實(shí)驗(yàn)”“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”兩大學(xué)習(xí)主題中學(xué)習(xí)活動(dòng)建議的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)由于能幫助學(xué)生經(jīng)歷真實(shí)的探究過程，增進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)科學(xué)探究本質(zhì)的理解，形成科學(xué)的探究思路與方法，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力和創(chuàng)新意識(shí)，在現(xiàn)行不同版本的教材中一直被作為重要教學(xué)內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)雖具有裝置簡約、易操作等優(yōu)點(diǎn)，但都存在實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長、空間跨度大、實(shí)驗(yàn)結(jié)果反饋不及時(shí)等問題。為此眾多化學(xué)工作者對(duì)其進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)。

汪前進(jìn)［2］等利用鋼絲棉等“細(xì)鐵絲”增大鐵與氧氣、水（或食鹽水）的接觸面積（如圖1所示），將鐵生銹的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象從幾天縮減到2天～40min。但這類實(shí)驗(yàn)裝置仍耗時(shí)較長，不便于教師攜帶與學(xué)生使用，還缺少鐵分別與氧氣和水單獨(dú)作用的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

李娜［3］等設(shè)計(jì)的“供氧”裝置（如圖2所示），通過向裝置中持續(xù)通入純凈的氧氣使鐵絲能在5～10min內(nèi)快速生銹。同時(shí)，還能避免空氣中其他成分對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響，快速完成鐵絲和氧氣在有水或無水環(huán)境下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。但這類裝置也存在制氧試劑用量大、不便攜帶、組裝繁瑣等問題。

潘國榮［4］研究發(fā)現(xiàn)利用70℃左右的熱水對(duì)裝有蒸餾水、空氣和鐵釘?shù)脑嚬苓M(jìn)行水浴加熱，可在3min左右觀察到鐵釘表面出現(xiàn)銹斑，若向試管中的水加入酸或鹽等電解質(zhì)會(huì)使鐵釘銹蝕更快。但該實(shí)驗(yàn)所用的鐵釘需在實(shí)驗(yàn)前用稀酸作表面處理，且洗凈后要迅速干燥密封保存?zhèn)溆谩Ｗ鰧?duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，還需要用鎂條去除蒸餾水中殘留的氧氣再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以防止浸沒在蒸餾水中的鐵釘生銹對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。同時(shí)，由于該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)時(shí)段在冬季，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在燒杯中倒入200mL 70℃的熱水進(jìn)行水浴加熱，水溫下降很快，鐵釘表面升溫慢，導(dǎo)致生銹速率減慢。

劉廣斌［5］利用經(jīng)過打磨除銹、堿液去油、氬氣快速干燥處理的鐵片，在“真空袋”中用抽氣泵進(jìn)行“充氧”和“除氧”對(duì)比實(shí)驗(yàn)。雖能在“充氧”的情況下2min左右觀察到鐵片表面出現(xiàn)銹跡。但上述實(shí)驗(yàn)存在常規(guī)儀器使用少、氧氣用量多、氬氣不易找、前期準(zhǔn)備復(fù)雜、處理后的鐵片需真空保存、不利于日常教學(xué)使用等問題。

通過對(duì)上述已有改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析，在吸取這些實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了如圖3所示的改進(jìn)裝置。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置攜帶更加方便，師生操作更加簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)更快，有利于日常教學(xué)使用。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

鋼絲棉（規(guī)格0000#）、250mL小燒杯、15mm×150mm試管（容積約為25mL）若干、膠頭滴管、橡膠塞、100mL裝有氧氣的醫(yī)用注射器1支、50mL醫(yī)用注射器1支、微型二通閥、注射用塑料軟管、盛熱水的保溫杯、恒溫加熱杯墊、PP（聚丙烯）材質(zhì)白色軟塑料吸管（管徑12mm）、剪刀、碎瓷片

2.2 制作方法

（1） 將白色PP（聚丙烯）材質(zhì)的軟塑料吸管下端50mm長的區(qū)域先壓扁，再用剪刀在該區(qū)域兩個(gè)側(cè)面分別斜向上剪口約8mm，再將塑料軟管旋轉(zhuǎn)90°壓扁再剪口。然后，將剪成“V”形口的塑料片向上翻出形成開孔，具體操作如圖4所示。

（2） 取少許鋼絲棉拉制成直徑約為100mm、厚度僅為1mm的薄鋼絲網(wǎng)。按圖5所示步驟，利用開孔的塑料吸管將薄鋼絲網(wǎng)推入試管內(nèi)，并借助塑料吸管表面上翻的“V”形塑料片將鋼絲棉緊壓在試管內(nèi)壁制得“備用試管”。

2.3 操作步驟

（1） 將保溫杯中的熱水約200mL注入裝有碎瓷片的燒杯中，放在恒溫加熱墊上加熱至沸騰后切換至二檔加熱，并維持85℃的水溫。加熱過程中用50mL注射器吸取燒杯中約25mL熱水，向一支備用試管③中注滿熱水，并用橡膠塞塞緊放入燒杯中繼續(xù)水浴加熱。

（2） 另取一支備用試管①，用膠頭滴管取燒杯中的熱水約2mL加入該試管中。

（3） 用裝有100mL純凈氧氣的注射器，打開二通閥分別向裝有2mL熱水的備用試管①和沒有裝水的備用試管②中緩慢各注入約30mL氧氣，并用橡膠塞塞緊后充分振蕩。

（4） 將上述兩支備用試管振蕩后，同時(shí)放入燒杯中加熱，并觀察三支試管中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

具體實(shí)驗(yàn)操作步驟，如圖6所示。

2.4 注意事項(xiàng)

（1） 選用管徑為12mm的白色PP（聚丙烯）材質(zhì)軟塑料吸管，在管壁上剪出“V”形口。上翻的“V”形塑料片不僅利于鋼絲棉緊貼在試管內(nèi)壁，管壁的開孔還能使鋼絲棉與氧氣充分接觸，便于鋼絲棉在水浴加熱的情況下快速生銹。同時(shí)，選用白色塑料吸管除了具有可重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)外，還方便在實(shí)驗(yàn)中觀察鋼絲棉生銹的現(xiàn)象。

（2） 通過對(duì)不同規(guī)格鋼絲棉在85℃的水浴中與純氧和蒸餾水共同作用時(shí)生銹快慢的研究（見表1），發(fā)現(xiàn)選用規(guī)格為0000#的鋼絲棉用于實(shí)驗(yàn)效率最高。若遇鋼絲棉在空氣中久置存放實(shí)驗(yàn)效果不佳時(shí)，則可用稀酸對(duì)鋼絲棉進(jìn)行浸泡處理，再用蒸餾水洗凈后用于實(shí)驗(yàn)，能達(dá)到同樣的效果。

（3） 實(shí)驗(yàn)中須使用85℃恒溫水浴進(jìn)行加熱。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用100℃沸水浴持續(xù)進(jìn)行加熱，不僅會(huì)使鋼絲棉表面生成黑色的四氧化三鐵，導(dǎo)致觀察不到紅棕色鐵銹產(chǎn)生的現(xiàn)象，還會(huì)因?yàn)樗序v過程中不斷產(chǎn)生的氣泡，影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。

（4） 加熱過程中燒杯底部需鋪一層顆粒較小的碎瓷片，防止水爆沸濺出。

（5） 剛加熱結(jié)束的恒溫杯墊應(yīng)注意避免接觸性燙傷。

3 實(shí)驗(yàn)再改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

3.1 操作便捷易調(diào)控，現(xiàn)象明顯、實(shí)驗(yàn)效率高

改進(jìn)后的裝置只需通過“注熱水→通電源→加熱水→通氧氣→共水浴”等五步簡單操作，即可在2分鐘以內(nèi)觀察到鋼絲棉生銹的現(xiàn)象，有利于提高課堂效率。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中可通過調(diào)節(jié)恒溫加熱杯墊檔位與添加冷水的量，能實(shí)現(xiàn)快速調(diào)控?zé)械乃疁?，從而探究溫度高低?duì)鐵銹蝕快慢的影響情況（見表2）。

3.2 節(jié)約藥品，有益拓展探究

利用改進(jìn)后的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，氧氣用量明顯減少。在純氧環(huán)境下，即使不使用干燥劑，處于85℃水浴中的鋼絲棉在試管中也不會(huì)生銹。同時(shí)，在沒有蒸餾水的情況下，使用煮沸的普通飲用水注入備用試管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無明顯影響。

該裝置不僅可以探究鐵生銹的條件，還可用注射器控制通入試管中氧氣的量，探究不同濃度氧氣對(duì)鐵生銹快慢的影響（見表3）。同時(shí)，也可用注射器向試管中加入等量且等濃度的醋酸、氨水、氯化鈉等溶液，快速探究酸、堿、鹽等不同電解質(zhì)對(duì)鐵銹蝕快慢的影響（見表4），增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的拓展性、探究性和趣味性。

3.3 引導(dǎo)深度學(xué)習(xí)，有助開展自主學(xué)習(xí)

利用改進(jìn)裝置的可拓展性與易操作性，在教師的引導(dǎo)下學(xué)生利用注射器和膠頭滴管控制添加試劑的種類與用量，可快速實(shí)現(xiàn)從單一環(huán)境到復(fù)雜環(huán)境、從定性到定量、從相似環(huán)境到陌生環(huán)境的分層遞進(jìn)式深度學(xué)習(xí)過程。這不僅可以為學(xué)生高中化學(xué)的學(xué)習(xí)銜接鋪路，也能輔助教師針對(duì)“化學(xué)大概念”［6］開展大單元教學(xué)設(shè)計(jì)。

將該實(shí)驗(yàn)裝置在我校10個(gè)教學(xué)班級(jí)中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，還發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)小組的同學(xué)都能根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象，提出鐵生銹的快慢與溫度、氧氣濃度、鋼絲棉的粗細(xì)等有關(guān)的探究性問題。并且能利用該實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)提出的問題在課堂中開展自主合作探究，實(shí)現(xiàn)學(xué)生從引導(dǎo)式的探究學(xué)習(xí)過程，自然過渡到有深度的自主學(xué)習(xí)過程。

總之，通過本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)不僅讓師生實(shí)驗(yàn)操作更加便捷，現(xiàn)象更加明顯，結(jié)論更加可靠，也為師生的教與學(xué)提供了更好的拓展空間，幫助教師和學(xué)生在課堂中形成生成性的學(xué)習(xí)資源，讓課堂探究過程更具有自主性與可操作性，讓學(xué)生在課堂中真正實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國教育部制定. 義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學(xué)出版社， 2022.

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［3］李娜， 張辰剛. 探究鐵生銹條件實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2012， 29（1）： 27.

［4］潘國榮， 李文勇， 陳正美. 探究“鐵的銹蝕條件”實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教育， 2016， 37（11）： 73～75.

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［6］吳星. 以大概念統(tǒng)領(lǐng)設(shè)計(jì)義務(wù)教育化學(xué)課程內(nèi)容——《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》解讀（二）［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022，（11）： 3～8.