感应加热器在铁与水蒸气反应实验中的应用

摘要

运用人教版教材中铁与水蒸气反应实验装置演示实验后发现，其实验成功率不高，存在试管易炸裂、水蒸气不足、反应不完全和产生氢气量不足等问题。将感应加热器引入该实验，同时增加自制反应装置和除杂安全瓶，能使实验实现一体化操作，同时达到简洁安全、现象明显和高效省时的目的。

Graphical abstract

关键词

铁与水蒸气反应 / 实验改进 / 核心素养 / 感应加热器

铁与水蒸气反应实验，源自人教版（2019年版）普通高中化学必修第一册第三章第一节“铁及其化合物”第66页的“思考与讨论”^［1］。该实验基于教材内容并围绕铁及其化合物性质进行实验探究和理论探讨，借助问题的解决完成教学目标，是重要的探究实验。针对实验存在的问题，笔者查阅资料发现，不少教师对其进行了改进。其中：王秋月等^［2］探究了不同吸水材料对实验效果的影响；张慧蓉^［3］用无水硫酸铜代替湿棉花提供水蒸气；任鑫雨等^［4］用硅酸铝棉作为反应的供水装置；李文杰^［5］探究了该反应的手持式简易实验装置；王志薇等^［6］用卫生棉代替湿棉花给反应提供水蒸气，并利用磁铁增大铁粉与水蒸气的反应面积；伍强^［7］利用粗铜丝搭建实验装置，并用超细钢丝棉代替铁粉与水蒸气进行反应。以上研究在一定程度上解决了水蒸气的供应、反应不充分和现象不明显等问题，虽具有一定的指导意义，但在实验过程中仍有不足。笔者对该实验采取了进一步改进措施，获得了良好的实验效果。

1 发现问题

1.1 教材实验装置分析

该装置简单、直观，主要分为3个部分：产生水蒸气的部分，发生反应的部分和氢气检验的部分。教材实验装置如图1所示。

1.2 教材实验失败原因分析

①湿棉花提供的水蒸气不充分、不连续，棉花受热易碳化；②湿棉花中的水流向受热试管（或反应时间过长），试管易炸裂；③铁粉平铺于试管内，水蒸气与铁粉接触面积小，反应不完全；④无除杂和防倒吸装置，反应产生的氢气不纯或易发生倒吸现象，从而引起试管破裂。总结实验失败原因后不难发现，实验失败最重要的因素是水蒸气的产生方式以及产生水蒸气的量。

1.3 提出问题并找到解决办法

能否找到一种加热方式，对该方式的要求是：既可给反应提供热源，又可给反应提供持续的水蒸气。经查阅资料得到以下几种加热方式：直接加热、电弧加热、微波加热、热域加热、感应加热和红外线加热。对比几种加热方式，并从加热装置是否易得、加热效果是否理想、是否适用于实验出发，最终选择感应加热方式。

2 基于办法解决问题

感应加热，又叫电磁感应加热，它是一种新型加热技术，能使被加热物体产生感应电流形成热效应，达到让相关导体发热的目的，如生活中常见的电磁炉就是利用了感应加热原理。电磁感应加热有两种方式，分别是纵向磁通感应加热和横向磁通感应加热。笔者选择纵向磁通感应加热。

2.1 实验仪器和药品

自制感应加热器、除杂安全瓶、铁架台（带铁夹）、自制铁笼、钥匙、小烧杯、大试管、导管、带孔橡胶塞、培养皿、电子打火器等；铁粉、蒸馏水、肥皂液。

2.2 实验装置

改进实验装置结构如图2所示。

2.3 实验原理

\mathrm{3}\mathrm{F}\mathrm{e}+\mathrm{4}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{高温}}{̿}\mathrm{F}{\mathrm{e}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}+\mathrm{4}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}。

2.4 实验改进要点分析

（1） 自制感应加热的优势。①在加热过程中产生的热量损失少，加热效率高；②快速热处理，能局部加热，节省时间；③引入感应加热技术，实现了铁与水蒸气反应实验装置的一体化，在高效完成加热的同时，解决了反应温度不足、试管易炸裂等问题。

（2） 用铁笼装铁粉的优势。①提高铁粉与水蒸气的接触面积，从而增大反应速率；②铁笼下端浸入水中，在高温条件下能使接触铁笼的蒸馏水沸腾产生蒸气，借此代替湿棉花，即可有效排除棉花变黑、碳化的问题，避免了其对实验的干扰。

（3） 增加双联除杂安全瓶。有效防止多余的水蒸气同氢气一起进入肥皂液干扰实验现象，防止倒吸现象的产生，提高实验安全性。

（4） 用电子点火器代替火柴，能有效解决用火柴点燃肥皂泡时火焰易被浇灭的问题。氢气是包裹在气泡（肥皂泡）中的，用火柴点燃氢气时很容易被浇灭，导致现象不连续。

2.5 实验步骤

①向培养皿中放入肥皂液，按图2从左到右依次组装实验仪器，并检查装置的气密性；②向大试管中加入其容积1/10的蒸馏水；③给靠近培养皿的安全瓶加入1/2瓶冰水，盖紧瓶塞；④将铁笼的手柄插入带孔橡胶塞的孔中，并使其下端伸入大试管中的蒸馏水中，盖紧橡胶塞；⑤将大试管中用于反应的部分移到感应加热器的螺旋铜管内，随即打开电源；⑥当蒸发皿中出现较多气泡时，用电子打火器靠近气泡，观察实验现象；⑦当反应进行到尾声时，观察蒸发皿中是否还有气泡产生，若没有，则将导气管从肥皂液中取出，关闭电源。

2.6 实验结果

实验数据如表1所示。

3 结语

改进的铁与水蒸气反应实验实现了设计的一体化，优点表现为：简洁安全，操控性强，高效省时，节约药品，实验成功率高。例如，平时按教材方法操作实验一般需要5～8 min，改进之后仅需操作1～2 min，就能产生满意的实验现象。同时，再现性强，能够充分激发学生的学习兴趣和创新思维，极具推广价值。但改进实验也有一点不足，就是感应加热器不属于化学实验室常规装置，其制作存在难度，需要耗费一定的时间和精力。

参考文献

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中课程教科书化学必修第一册［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[2] 王秋月，洪涛，孟阳，等.对铁与水蒸气反应实验改进的评价与优化［J］.化学教育，2016，37（19）：68-70.

[3] 张慧容.铁与水蒸气反应的实验探究［J］.中学化学教学参考，2019（09）：50-51.

[4] 任鑫雨，廖钫.铁与水蒸气反应实验的改进及评价［J］.化学教学，2018（12）：71-72

[5] 李文杰.铁与水蒸气反应手持式实验装置的设计［J］.化学教学，2020（07）：77-79.

[6] 王志薇，闫秀玲，刘成国.磁化改进铁粉与水蒸气反应实验［J］.中学生数理化（教与学），2021（01）：86-87.

[7] 伍强.超细钢丝棉在铁与水蒸气反应实验中的应用［J］.化学教学，2019（09）：69-71.