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铁生锈实验的再改进

摘要：对已有的铁生锈实验进行归类、分析，结合义务教育化学课程标准中实验探究活动的相关建议和要求，利用钢丝棉、软塑料吸管、恒温加热杯垫等物品对该实验进行了再改进。改进后的实验具有装置简单、操作便捷、实验高效、试剂节省、温度可控、拓展性强等优点，可以作为中学生开展深度学习与自主合作学习的探究实验。

关键词：铁生锈；钢丝棉；塑料吸管；实验改进

1问题及概述

“探究铁钉生锈的条件”［1］是《义务教育化学课程标准（2022年版）》“科学探究与化学实验”“物质的性质与应用”两大学习主题中学习活动建议的实验探究活动。该实验探究活动由于能帮助学生经历真实的探究过程，增进学生对化学科学探究本质的理解，形成科学的探究思路与方法，发展学生科学探究能力和创新意识，在现行不同版本的教材中一直被作为重要教学内容。该实验虽具有装置简约、易操作等优点，但都存在实验耗时长、空间跨度大、实验结果反馈不及时等问题。为此众多化学工作者对其进行了创新改进。

汪前进［2］等利用钢丝棉等“细铁丝”增大铁与氧气、水（或食盐水）的接触面积（如图1所示），将铁生锈的实验现象从几天缩减到2天～40min。但这类实验装置仍耗时较长，不便于教师携带与学生使用，还缺少铁分别与氧气和水单独作用的对比实验。

李娜［3］等设计的“供氧”装置（如图2所示），通过向装置中持续通入纯净的氧气使铁丝能在5～10min内快速生锈。同时，还能避免空气中其他成分对实验产生的影响，快速完成铁丝和氧气在有水或无水环境下的对比实验。但这类装置也存在制氧试剂用量大、不便携带、组装繁琐等问题。

潘国荣［4］研究发现利用70℃左右的热水对装有蒸馏水、空气和铁钉的试管进行水浴加热，可在3min左右观察到铁钉表面出现锈斑，若向试管中的水加入酸或盐等电解质会使铁钉锈蚀更快。但该实验所用的铁钉需在实验前用稀酸作表面处理，且洗净后要迅速干燥密封保存备用。做对比实验时，还需要用镁条去除蒸馏水中残留的氧气再进行实验，以防止浸没在蒸馏水中的铁钉生锈对实验结果产生影响。同时，由于该实验的教学时段在冬季，实验发现在烧杯中倒入200mL70℃的热水进行水浴加热，水温下降很快，铁钉表面升温慢，导致生锈速率减慢。

刘广斌［5］利用经过打磨除锈、碱液去油、氩气快速干燥处理的铁片，在“真空袋”中用抽气泵进行“充氧”和“除氧”对比实验。虽能在“充氧”的情况下2min左右观察到铁片表面出现锈迹。但上述实验存在常规仪器使用少、氧气用量多、氩气不易找、前期准备复杂、处理后的铁片需真空保存、不利于日常教学使用等问题。

通过对上述已有改进实验的对比分析，在吸取这些实验优点的基础上，创新设计了如图3所示的改进装置。经多次实验验证，该装置携带更加方便，师生操作更加简单，实验现象呈现更快，有利于日常教学使用。

2实验部分

2.1实验用品

钢絲棉（规格0000#）、250mL小烧杯、15mm×150mm试管（容积约为25mL）若干、胶头滴管、橡胶塞、100mL装有氧气的医用注射器1支、50mL医用注射器1支、微型二通阀、注射用塑料软管、盛热水的保温杯、恒温加热杯垫、PP（聚丙烯）材质白色软塑料吸管（管径12mm）、剪刀、碎瓷片

2.2制作方法

（1）将白色PP（聚丙烯）材质的软塑料吸管下端50mm长的区域先压扁，再用剪刀在该区域两个侧面分别斜向上剪口约8mm，再将塑料软管旋转90°压扁再剪口。然后，将剪成“V”形口的塑料片向上翻出形成开孔，具体操作如图4所示。

（2）取少许钢丝棉拉制成直径约为100mm、厚度仅为1mm的薄钢丝网。按图5所示步骤，利用开孔的塑料吸管将薄钢丝网推入试管内，并借助塑料吸管表面上翻的“V”形塑料片将钢丝棉紧压在试管内壁制得“备用试管”。

2.3操作步骤

（1）将保温杯中的热水约200mL注入装有碎瓷片的烧杯中，放在恒温加热垫上加热至沸腾后切换至二档加热，并维持85℃的水温。加热过程中用50mL注射器吸取烧杯中约25mL热水，向一支备用试管③中注满热水，并用橡胶塞塞紧放入烧杯中继续水浴加热。

（2）另取一支备用试管①，用胶头滴管取烧杯中的热水约2mL加入该试管中。

（3）用装有100mL纯净氧气的注射器，打开二通阀分别向装有2mL热水的备用试管①和没有装水的备用试管②中缓慢各注入约30mL氧气，并用橡胶塞塞紧后充分振荡。

（4）将上述两支备用试管振荡后，同时放入烧杯中加热，并观察三支试管中的实验现象。

具体实验操作步骤，如图6所示。

2.4注意事项

（1）选用管径为12mm的白色PP（聚丙烯）材质软塑料吸管，在管壁上剪出“V”形口。上翻的“V”形塑料片不仅利于钢丝棉紧贴在试管内壁，管壁的开孔还能使钢丝棉与氧气充分接触，便于钢丝棉在水浴加热的情况下快速生锈。同时，选用白色塑料吸管除了具有