有关铁在氧气中燃烧实验问题探究

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1、有关铁在氧气中燃烧实验问题探究　　摘要：铁在氧气中燃烧是初中化学一个重要的演示实验和学生实验，也是一个难点实验。文章通过十个问题的形式对有关铁在氧气中燃烧实验涉及到的一些知识与技能问题作了探析。关键词：铁；氧气；燃烧；实验；问题文章编号：1008-0546（2013）08-0086-02中图分类号：G633.8文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2013.08.032铁在氧气中燃烧实验是初中化学的一个重要的演示实验和学生实验，也是一个难点实验，涉及到氧气和铁两种单质的化学性质。看似简单的实

2、验，却蕴含着丰富的知识与技能内涵。下面以问题的形式进行探析。一、铁在空气中能燃烧吗？燃烧是物质发生发光、发热的剧烈的化学反应。通常需要具备：足量的可燃物与助燃剂、温度达到着火点。这三个条件同时满足才能产生燃烧现象。这里的温度，不一定是环境的温度，可以是环境提供热能或反应提供热能积累达到的温度。8刘蕊和丁伟[1]将还原性铁粉洒向煤气灯的灯焰，铁粉颗粒与灯焰接触后，产生明亮火星。在地上铺一张报纸，在空气中倾倒试管中的纳米铁粉。看到：倒出来的铁粉在空气中自发出现红热现象，落在报纸上可将报纸引燃。徐昌学[2]老师把铁粉洒在胶布的沾胶

3、面上，在空气中点燃胶布，抖动胶布，可以看到白光闪闪，很多白光点往下落，现象十分明显。由此可见，很细的铁粉在空气中与氧气反应是可以产生燃烧的现象，但不是持续燃烧。纯铁的熔点[3]是1530℃、沸点是3000℃，很高。生铁的含碳量2%～4.3%，熔点是1100℃～1300℃。钢的含碳量0.03～2%，熔点是1300℃～1500℃。氧气在与铁反应时，只能扩散在铁表面上进行，其燃烧形式是表面燃烧[1]。铁丝由于表面积小，空气中氧气含量低，使铁丝与氧气反应不剧烈，不能产生燃烧现象。二、铁丝在氧气中燃烧为什么会火星四射？木炭在氧气中燃烧

4、产生火星四射的现象，原因是由于木炭内部的碳燃烧产生气体，气体体积在受热时膨胀，使固体或液体向四周飞溅形成爆裂物造成的现象。实验用的铁丝通常并不是纯净的铁，而是含有一定量的碳及微量的硫、磷等。铁燃烧时，铁里的碳会与氧气或熔融状态的铁的氧化物反应生成一氧化碳与二氧化碳气体，这些气体在一千多度的高温下体积急剧膨胀，推动其周围呈熔融状态的铁及其氧化物向四周飞溅，因此，就有了火星四射的现象产生。含碳量越高的铁（或钢）丝，火星四射越明显[4-8]。8纯净的铁燃烧时没有气体生成，是没有火星四射现象的。许多老师把火星四射的程度作为衡量铁丝燃

5、烧成功与否的标志，这是错误的观念。从生铁及其合金的熔点来看，由于含碳量高，熔点降低，更容易熔化而增加与氧气的接触面，并且有气体的推动使反应变得容易和剧烈，所以用生铁或钢做铁在氧气中燃烧更容易成功。这是许多老师通过实验所证实了的。三、铁在氧气中燃烧掉下或飞溅出的黑色固体物质是什么？铁的氧化物在标准状况下的生成焓[9]是：FeO为272.04kJ·mol-1，Fe2O3为825.5kJ·mol-1，Fe2O3·H2O为1117.96kJ·mol-1，Fe3O4为1118.4kJ·mol-1。从标准生成焓来看，铁在潮湿空气中与氧气

6、和水反应生成Fe2O3·H2O时，在能量上是最有利的。所以，我们不难理解，在常温下，在潮湿空气中铁生锈时，主要产物是Fe2O3·H2O（当然，铁锈的成份要复杂得多）了。8铁的氧化物的熔点[3]是：FeO为1420℃，Fe2O3为1560℃并分解，Fe3O4为1594℃并分解。从铁的氧化物熔点推知，由于FeO的熔点低，当氧气与铁反应时，首先生成FeO，由于FeO熔化后与氧气接触面增大，会进一步与氧气反应生成Fe2O3，随着温度升高Fe2O3会分解生成Fe3O4。吴国庆[10]教授、鞠东胜与王金龙[11]老师等用热力学计算的方法

7、也证明，铁在氧气中燃烧最后产物应该是Fe3O4。Fe3O4的熔点比铁高，因此，熔融的Fe3O4会夹杂着液态铁一起飞溅或落下。这个结论已经被许多老师[4-5]用实验所证实了。四、多粗的铁丝可以在氧气中燃烧？从多位老师的实验[8，12-15]探究结果看，从小于0.18mm大到2.0mm的铁丝都能够在氧气里燃烧，通常是0.2-0.5mm比较合适。细铁丝通常要用2-3根拧在一起才不容易燃烧熔断，连续燃烧时间长；太粗的铁丝不容易引燃，需要氧气也多，实验成功率低。五、铁丝绕成螺旋状的目的是什么？许多人[5，12，15]认为，铁丝绕成螺旋

8、状的原因是：“使后面的铁丝更靠近燃烧点去吸收热量，从而被引燃；增大与氧气的接触面积，使反应更容易进行”及其类似的观点。其实，这种解释是不可靠的。同一根铁丝固体的表面积是固定的，不会因为绕成螺旋状而增加，相反，如果绕得过于紧密让铁表面接触，反而降低了与氧气的接触面积。8细铁丝燃烧时，反应非常