铁与硫反应实验的新设计

摘要： 传统的“铁与硫反应实验”方法生成的副产物二氧化硫气体污染环境。为此新设计的实验方案利用透明玻璃瓶、微型吸气泵、石棉网、灌肠注射器、橡胶塞等器材制成吸气钟罩;利用激光笔光束照射吸气钟罩内的火柴头粉末，引发铁与硫的反应;反应过程中产生的二氧化硫气体被蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉吸收，避免了空气污染。

关键词： 铁与硫反应; 吸气钟罩; 实验改进

文章编号： 10056629（2022）04008403

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题提出

铁与硫的反应是高中化学教材的重要知识点，高中化学教材对此均有介绍。传统的铁与硫的反应实验方法（如图1所示）是将炽热的玻璃棒插入到铁粉与硫粉的混合物上。尽管这种实验方法有取材容易、操作简单、便于观察、现象明显等特点，但反应产生的副产物二氧化硫污染室内环境，影响师生健康，早已不适应当今社会对化学实验的绿色化要求。因此，现行高中化学教材[1，2]为了避免铁与硫的反应实验造成污染，没有给出相应的实验方法。笔者认为，这种因噎废食的处理方法不利于发挥化学实验在化学教学中的基本功能，不利于培养学生的观察能力，不利于激发学生的学习兴趣以及对知识点的记忆和掌握。为此，我们在传统实验方法的基础上，借鉴他人先进经验，对铁与硫的反应实验方法进行认真的再研究工作。利用透明玻璃瓶、大功率激光笔、

微型吸气泵、石棉网、灌肠注射器、橡胶塞等材料，根据铁与硫的反应特点，通过精心设计、巧妙组合研制成功了简单易行、现象明显、可消除污染的实验装置，收到了很好的教学效果。

2 从相关文献得出的启示

由于传统的实验方法存在副产物二氧化硫污染教学环境、影响师生健康的缺陷，广大化学教育工作者曾对该实验进行了认真探究，并将研究成果相继发表在不同的教学杂志上。我们通过查阅有关教学期刊发现，虽然发表铁与硫的反应实验研究论文多篇，实验方法各异，但或多或少均存在一些不足，具体表现在以下几个方面： 其一，实验方法[3，4]较为复杂，不适合演示;其二，实验现象可见度低[5，6]，不便于学生观察;其三，无法消除污染[7]。因此，有必要对铁与硫反应的实验方法做进一步的研究和改进，努力探讨改进新路子，提升实验设计水平，逐步完善实验方法。

3 实验设计理念

根据铁与硫反应所需条件（引燃）、反应后生成物的性质（副产物为有毒气体）和反应时放热等特点以及教学对实验的要求，必须注重以下几个方面： （1）应该从可见度大、便于学生观察实验现象、能激发学生学习兴趣、可提高实验效果等方面来考虑，并从选择反应器及其适量铁粉和硫粉入手，提升可观察性;（2）实验装置应考虑取材容易、制作简单、操作方便，努力提高实验的实用性和可操作性;（3）由于铁与硫的反应为放热反应，选择材料时，应选择一些耐高温材料，以保障实验的顺利进行;（4）为防止副产物二氧化硫外逸污染环境，应将反应放在一个既可方便点燃，又可观察到反应现象且能吸收二氧化硫的空间内进行。

4 实验方案设计

方案设计来自于设计理念。根据上述设计理念，我们在石棉网上堆上铁粉与硫粉的混合物，这样反应发生时既可以防止将桌面烫坏，又可增加实验的可见度，便于学生观察。接着用无底透明的玻璃瓶将堆放铁粉与硫粉的混合物罩住，由于玻璃瓶透明，可用激光光束引发反应进行，便于学生观察整个实验过程及现象。瓶口处安装灌肠注射器的针筒，筒内放入蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉，在脱脂棉的上方放入一层碱石灰颗粒，用以分别吸收副产物二氧化硫气体和水蒸气。在灌肠注射器针管上方安装一个微型吸气泵，使产生的二氧化硫气体得以强行过滤和吸收，从而达到防止污染之目的。

4.1 实验原理

铁与硫反应：

Fe+S△FeS

二氧化硫的吸收：

SO2+2NaOHNa2SO3+H2O

4.2 实验材料

石棉网1块、透明玻璃瓶（底径为10cm、口径为3cm、高度为22cm）1只、灌肠注射器注射针管（100mL）1支、大功率激光笔（2000mw）1支、微型吸气泵（24V）1个、3号单孔橡胶塞2个、玻璃打孔器（市场有售）、脱脂棉若干还原铁粉、硫粉、火柴、20%氢氧化钠溶液、碱石灰.

4.3 材料加工

取一只透明玻璃瓶，用玻璃打孔器在底部中央位置打一个直径约为6cm的圆孔。其方法是将直径为6cm玻璃打孔器固定在电动钻孔平台上，使瓶底在上、瓶口朝下正立在台面上。将玻璃打孔器对准玻璃瓶底中央后，打开钻孔平台开关，使玻璃钻孔器慢慢旋转起来，片刻，在玻璃瓶底的中央就可打一个直径6cm的圆孔（如图2所示）。

4.4 实验装置

如图3所示：

A.微型吸气泵;B.碱石灰颗粒;C.蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉;D.灌肠注射器的注射针管;E.大功率激光笔;F.无底透明玻璃瓶;G.火柴头粉末;H.还原铁粉与硫粉混合物（质量比为7： 5）;I.石棉网

4.5 实验方法

（1） 取1块石棉网，在其中央堆一堆铁粉与硫粉的混合物（还原铁粉与硫粉的质量分别为4.2g和3g），在其上方放置3～4个火柴头粉末（如图4所示）。

（2） 先将3号单孔橡胶塞塞紧在透明玻璃瓶的瓶口上，然后在胶塞的孔内插上灌肠注射器的针管，装入蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉、碱石灰颗粒后，在灌肠注射器针管上再塞紧另一个3号单孔橡胶塞，在橡胶塞的孔内插入微型吸气泵，这样就将灌肠注射器针管、微型吸气泵和无底透明玻璃瓶组合到一起，制成透明吸气玻璃钟罩（如图5所示）放置在石棉网的中央，使堆放的铁粉与硫粉的混合物等恰好置于瓶内。

（3） 打开微型吸气泵电源开关，使其正常运行起来。此时，透明玻璃钟罩内的气体自下而上被排出。

（4） 打开大功率激光笔的开关，使激光光束穿过透明玻璃瓶壁照射在火柴头粉末上。片刻，火柴头粉末被激光点燃，随后铁与硫的反应被引发（此时关闭激光笔开关）。通过透明玻璃瓶壁可观察到堆放的铁粉与硫粉发生反应，红热现象从中心向四周慢慢扩散。反应产生的副产物二氧化硫通过注射器针筒里蘸有氢氧化钠溶液的脱脂棉时被吸收。

（5） 反应结束，待有毒气体全部被吸收后，关闭微型吸气泵的开关，移走吸气透明玻璃钟罩，可观察到石棉网上铁与硫的反应生成了黑色的块状硫化亚铁。

4.6 几点说明

（1） 使用激光笔时，严禁用激光笔的激光照射眼睛，以防造成灼伤。

（2） 装置内的碱石灰是用来吸收水蒸气的，防止水蒸气进入微型吸气泵内造成损害。

（3） 如若二氧化硫吸收不够完全，可在微型吸气泵的出气口处安装一根导管，将排出的气体通过氢氧化钠溶液进行二次吸收。

（4） 该实验装置取材容易、制作简单、操作方便、便于观察、现象明显。一旦制成以后，可以长期保存，多次使用。

5 结语

化学是以实验为基础的一门自然科学，化学实验在化学教学中起着至关重要的作用。铁与硫的反应是高中化学教材重点介绍的一个典型反应，尽管现行教材中没有介绍相应的实验方法，但为了验证理论、培养学生的观察能力和实验设计能力、激发他们的学习兴趣，我们对铁与硫的反应实验方法进行了研究和重新设计，从而开阔学生视野、培养学生的科学素养，使学生在学习时很有获得感，提高了课堂教学质量。我们通过对铁与硫反应的实验方法的再研究与再设计，深刻体悟到对于教材中光有理论没有实验的知识点，教师可以有意识地进行研究，设计一些相应的实验方法，在不影响教学进度的情况下，适当增加实验内容，用以验证化学理论，提高教学效果是很有必要的。在设计化学实验时，可以借鉴前人的经验，对前人实验方法加以改进和优化，也可根据当下具有的新材料、新仪器、新设备进行自主创新。总之，根据教学内容有目的地设计、优化化学实验是摆在我们化学教育工作者面前必不可少的重要工作。

参考文献：

[1]人民教育出版社化学室编著. 全日制普通高级中学教科书（必修加选修）. 化学（第二册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2003： 87.

[2]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编著. 普通高中教科书·化学（必修第二册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 2.

[3]李元， 曹波. 铁与硫反应的实验装置改进[J]. 化学教学， 1997， （9）： 9.

[4]田宗学. 铁与硫反应演示实验的改进[J]. 教学仪器与实验， 2002， （12）： 14.

[5]邓懿. 对铁与硫反应实验的探讨[J]. 实验教学与仪器， 2012， （4）： 37.

[6]姬红涛. 铁与硫反应实验的新方法[J]. 实验教学与仪器， 2016， （3）： 35.

[7]陈碧瑜. 铁粉与硫粉反应实验的改进[J]. 化学教学， 2011， （6）： 48.