对5个中学化学实验问题的实证探索与思考

摘要

对中学化学实验教学中“氢硫酸的配制和保存，镁在空气中燃烧产生白烟的成分，CO还原氧化铜或氧化铁实验，铁丝在氧气中燃烧产生火星四射的现象，钠在空气中燃烧产生大量的黑色颗粒物”5个实验问题进行了实证探索和思考，既帮助学生清除学习障碍、开阔知识眼界，又促进教师提高专业素养，具有一定的借鉴作用。

Graphical abstract

关键词

氢硫酸 / 镁 / CO还原氧化铜 / 氧化铁 / 钠 / 实证探索

对课堂教学中涉及的“如何配制和保存氢硫酸，镁在空气中燃烧产生白烟的成分是什么，如何做好CO还原氧化铜或氧化铁实验，铁丝在氧气中燃烧为何会火星四射，钠在空气中燃烧为何会产生大量的黑色颗粒物”等5个问题进行探索、思考，其结论可供广大教师参考。

1 配制和保存氢硫酸

很多无机化学教材中都有这样的描述：露置在空气中的氢硫酸会慢慢变浑浊^［1］。笔者认为，这种说法欠妥。

（1） 不能用自来水配制氢硫酸。自来水厂在管道取水过程中，管道内压强较大，溶解在自来水中的氧气远比溶解在普通水中的多。此外，自来水需要净化和消毒，该过程中会用到氯化铁、氯气、二氧化氯等，所以在用自来水配制氢硫酸的过程中，H₂S与溶解在水中的氧气、Fe³⁺、氯气、二氧化氯反应生成硫，从而出现浑浊现象。

（2） 一定要选择经过加热煮沸、密封并冷却至室温后的蒸馏水，对于用这种方法配制的氢硫酸，采用如图1所示的3种方法进行保存。

保存15 d后，笔者发现：A瓶由于缺少氧气，溶液仍然澄清；B瓶中挥发出来的硫化氢气体漂浮在溶液的上部，起到了保护的作用，溶液也很清澈；C瓶中因为大量硫化氢气体逸出瓶外，瓶中溶液浓度降低，因而失效，所以也看不到氢硫酸变浑浊。

由此可知，用自来水配制的氢硫酸变浑浊，并非保存时接触到空气中的氧气所导致；若将用蒸馏水配制的氢硫酸露置在空气中，则几乎不存在因空气中氧气的氧化而变浑浊的现象。

2 镁在空气中燃烧产生白烟的成分

（1） 在做镁条燃烧实验时，须用砂纸打磨，以除去Mg₂（OH）₂CO₃，再将其裁剪成如图2所示形状，这样有助于将镁条迅速引燃。

（2） 取一薄钢片放在三脚架上，把燃着的镁条迅速放在钢片上，立即用一个倒扣的漏斗罩在上方，如图3所示，稍稍将倒扣漏斗向上提一下，使空气进入，再将漏斗放下，镁条在里面充分燃烧，把一张湿润的红色石蕊试纸放在漏斗口，试纸变成蓝紫色，说明有氨气生成。

（3） 将步骤②重复3次，发现漏斗内壁附有较多白色蓬松状固体粉末，并混有少许黑色的颗粒物，用药匙刮下少许固体（约2 g），放入试管中，再向试管中加入适量的蒸馏水，将湿润的红色石蕊试纸放在试管口，很快试纸变成淡蓝色，稍稍振荡试管，试管内为白色浑浊液，向试管内逐滴滴入稀盐酸至不再产生气体，浑浊液变澄清，再逐滴滴入烧碱溶液至溶液呈碱性，有大量白色沉淀Mg（OH）₂产生，加入紫红色对硝基苯偶氮间苯二酚，变蓝，说明样品中含有大量的氧化镁和少许氮化镁。

（4） 若改为镁粉重复上述实验步骤，发现反应更剧烈，试纸变色更明显，其他现象都一样，说明无论选用镁条还是镁粉，它们在空气中燃烧的生成物都一样。综上所述，镁在空气中燃烧主要生成MgO，由于N₂的化学性质比较稳定，生成的Mg₃N₂也比较少，且Mg₃N₂还会与空气中的水蒸气反应生成氨气（使湿润的红色石蕊试纸变为淡蓝紫色），即有：3H₂O+Mg₃N₂=2NH₃+3MgO，最终生成物中的Mg₃N₂含量极少，即我们看到的固体生成物为白色。还需要说明的是，空气中CO₂的体积分数仅为0.039%，受实验条件所限，该实验并没有直接在生成物中找到含有单质碳的依据。

3 CO还原氧化铜或氧化铁实验

3.1 首先要检验CO的纯度

现行人教版化学九年级上册第132页资料卡片中明确指出：可燃性气体等在空气中达到一定的含量时，遇到火源就会发生爆炸。CO与空气混合有可能会发生爆炸，氢气、甲烷、一氧化碳的爆炸极限和燃点如表1所示，分析表1数据可知，这几种可燃性气体的危险性可以表示为：CH₄＜CO＜H₂。

如图4所示，加热直玻璃管，因酒精灯火焰温度最高可达665 ℃，加了网罩的酒精灯火焰温度最高可达783 ℃，都高于一氧化碳的燃点650 ℃，故未经验纯的一氧化碳气体通入热的直玻璃管中是不安全的因素。

3.2 解决好用酒精灯对反应物加热和尾气处理问题

若HCOOH与浓H₂SO₄反应产生的一氧化碳中混有空气，且在爆炸极限内遇到明火（前后两盏燃着的酒精灯），则很有可能引起爆炸。所以，在加热CuO或Fe₂O₃之前，笔者建议采用排水法收集尾气出口处的CO，并多次验纯，以确保实验的万无一失。为了尽可能保证实验安全，应向洗气瓶中多加一些Ca（OH）₂溶液，以便尽可能减少洗气瓶的剩余空间。

3.3 严格遵守实验操作规程

在H₂还原CuO实验中，实验完成时，先熄灭酒精灯，再继续通一会儿氢气，直至试管恢复常温；在CO还原Fe₂O₃或CuO实验中，若先停止通CO，则Ca（OH）₂溶液很有可能倒流入热的直玻璃管，引起直玻璃管炸裂。此外，只有等到不再产生CO时，才能移走用于尾气处理的酒精灯。

4 铁丝在氧气中燃烧产生火星四射的现象

铁丝在O₂中燃烧为何出现火星四射的现象？这是因为实验室里的铁丝不是纯铁，而是铁的合金，其中含有一定量的C，以及微量的S、P，则C与O₂反应生成CO₂气体，而CO₂气体的体积迅速膨胀会使已变成熔融状态的铁和铁的氧化物四处飞溅，所以看到火星四射。

（1） 木炭和Fe分别在O₂中燃烧的现象比较相似，如图5所示。a、c两瓶是含碳量不同的铁丝在O₂中燃烧，b瓶是木炭在O₂中燃烧。对比b、c两瓶，发现实验现象比较相似。b、c两瓶为何会火星四射呢？这是因为反应生成的CO₂瞬间能使固体或液体向四周飞溅而形成爆裂物。也就是说，在引燃的铁丝上，外表的碳与氧气反应生成CO₂，里面的熔融物具有流动性，碳与生成的铁的氧化物继续反应生成CO₂，CO₂把旁边的熔融物推向四周。

（2） 含碳量越低，铁丝在氧气中燃烧产生的火星就越少，盘成螺旋状的铁丝燃烧时间短，有时甚至还不能燃烧，因此把较多铁丝疏松缠绕在一起进行实验，现象类似于a瓶，把低碳钢铁丝盘成螺旋状在氧气中燃烧，产生的火星数量与a瓶差不多，有时反应时间比较短，而将盘成螺旋状的中高碳钢在O₂中燃烧，火星四射。基于此，笔者选用圆珠笔或中性笔里的弹簧来演示这个实验，效果非常好，实验成功率几乎100%，现象与c瓶非常接近。

（3） 其他一些纯金属的燃烧：工业上制得的镁和铝通常都比较纯（铝中只含有极少量的碳），所以镁、铝在氧气中燃烧产生的现象与铁不同，虽然反应产生的热量更多、温度更高，发出的白光也极其耀眼，且产生少许白烟，但并没有气体产生，既不会引起体积的膨胀，也不会出现火星四射现象。如果铁中的含碳量为0.5%，则产生的CO₂分子超过6%（分子个数比以生成物为Fe₃O₄和CO₂粗略计算），CO₂分子使周围熔融物向四周飞溅，飞溅的熔融物使反应生成的氧化物脱离铁丝表面，里面比较纯的铁可以与氧气继续反应，所以含有少许碳的铁（即铁的合金）比纯铁在O₂中更易燃烧，燃烧时间持续更久，比铝更易被引燃。

综上所述，铁丝在O₂中燃烧时的火星四射现象是因实验所用铁丝是铁的合金（含少许碳），使铁更易燃烧。

5 钠在空气中燃烧产生大量的黑色颗粒物

有同行认为，钠在空气中燃烧生成的大量黑色颗粒物是炭，即Na与空气中的CO₂反应生成了Na₂CO₃和C，笔者认为这个观点有待商榷。CO₂在空气中的体积分数仅为0.03%，试问：空气中这么少的CO₂如何产生大量的黑色颗粒物呢？笔者发现，实验中选择酒精灯加热，但酒精燃烧也会产生大量的CO₂，且实验时用到的石棉网的透气性很好，会不会是酒精燃烧产生的CO₂与Na反应生成了大量的黑色炭呢？

笔者对实验进行了如图6所示的改进，该方案避免了酒精燃烧生成的CO₂对实验的干扰。该实验现象是：Na先熔化，不一会儿就剧烈燃烧，产生黄色火焰，生成较多淡黄色固体和少数黑色颗粒物。该实验现象说明：生成的黑色颗粒物并非酒精燃烧产生的CO₂所致。那么，为何还有少许黑色颗粒物生成呢？难道是Na与空气中的CO₂反应产生的炭吗？于是，笔者在图6装置的基础上又增加了装有碱石灰的球形干燥管，以除去空气中的CO₂。如图7所示，该方案的现象与图6相同，但仍有少许黑色颗粒物，可以断定黑色颗粒物不是炭，因为整个反应没有CO₂参与。那么，这少许的黑色颗粒物究竟是什么呢？笔者重新梳理整个实验过程，终于在存放钠的试剂瓶上的标签上查到了原因：杂质中有少许铁元素。这些黑色颗粒物有可能是铁的氧化物吗？于是又进行了如下探究：向淡黄色固体（混有少许黑色颗粒物）中加入过量的稀硫酸，发现固体全部溶解，再向其中加入适量的KSCN溶液，溶液变红，说明黑色颗粒物不是C，因为C和H₂SO₄不反应，溶液变红恰好说明溶液中有三价铁离子，而三价铁离子肯定是来自这少许黑色颗粒物。

综上所述，黑色颗粒物主要来自以下两种情况：①酒精燃烧产生的CO₂与钠在石棉网上反应生成了大量的炭及少许铁的氧化物；②图6和图7实验中生成的少许黑色颗粒物是铁的氧化物。

参考文献

[1] 赵奕斌.化学化工大辞典（上下册）［M］.北京：化学工业出版社，2003.