铁丝在氧气中燃烧

实验基本信息

• 实验目的：观察铁丝在纯氧中燃烧的现象，探究生成物，掌握金属与氧气反应的特性及安全操作规范。

• 主要器材与药品：集气瓶（装有氧气，盖有玻璃片，底部留有少量水或铺有细沙）、细铁丝（或预先处理好的钟表发条）、砂纸、坩埚钳、酒精灯、火柴。

• 反应原理：铁与氧气在点燃条件下反应，生成四氧化三铁（黑色固体）。

  $3\text{Fe(s)} + 2\text{O}_2\text{(g)} \xrightarrow{\text{点燃}} \text{Fe}_3\text{O}_4\text{(s)}$

实验操作演示

在开始实验前，可通过以下直观的实验视频，完整了解铁丝在氧气中燃烧的实际操作流程与反应现象：

实验步骤

1. 打磨铁丝：

   用砂纸将细铁丝表面仔细打磨。

   目的：除去铁丝表面的铁锈和油污，暴露出金属光泽，以便于反应。

2. 盘成螺旋状并系火柴：

   将铁丝绕成螺旋状，并在铁丝的下端系一根火柴。

   绕成螺旋状的目的：增大铁丝与氧气的接触面积，并能积聚热量，使铁丝局部温度迅速达到着火点。

3. 引燃火柴并等待：

   用酒精灯点燃铁丝末端的火柴，仔细观察，待火柴快要燃尽时再将其送入集气瓶。

   注意：必须等火柴快燃尽，否则火柴燃烧会消耗集气瓶内的氧气，导致铁丝无法燃烧。

4. 缓慢送入瓶中：

   将铁丝由瓶口向下缓慢伸入盛有氧气（且底部有水或沙）的集气瓶中，观察现象。

实验现象与环境对比

铁丝在“空气”与“纯氧”中的表现天差地别，是区分物质反应剧烈程度与氧气浓度的最佳范例：

反应环境	燃烧现象	产物性状
在空气中	只能被加热到红热，离开酒精灯火焰后迅速变冷熄灭，无法燃烧。	表面可能生成一层微薄的黑色氧化膜。
在氧气中	表现为 剧烈燃烧，火星四射，放出大量的热。	瓶底和瓶壁出现黑色固体颗粒。

• 关于生成物：反应生成的黑色固体是四氧化三铁（$\text{Fe}_3\text{O}_4$），具有磁性。化学考试中切勿将其错记为红褐色的氧化铁（$\text{Fe}_2\text{O}_3$，即铁锈的主成分）。

极其致命的防错细节

该实验属于初中化学操作中安全等级最高、细节扣分点最多的实验，以下细节直接决定了实验的成败与仪器的安全：

为什么集气瓶底部必须铺细沙或留少量水？

• 原因：铁丝燃烧时释放出海量的热，生成的四氧化三铁温度极高，呈 熔融状态（液态液滴） 流下。
• 后果：如果让这些高温熔融物直接成滴落到裸露的玻璃瓶底，会使集气瓶局部因骤热而发生急剧炸裂。底部的细沙或水能起到完美的缓冲与降温保护作用。

为什么操作时坩埚钳/细铁丝不能贴近瓶壁？

• 原因：由于铁丝燃烧放热巨大，红热的金属丝如果贴近或触碰到集气瓶玻璃，同样会因为局部受热不均导致集气瓶瓶壁破裂。因此，操作时手要稳，铁丝应始终保持在集气瓶的正中央。

实验失败（铁丝未成功燃烧）原因排查表

如果在操作中发现铁丝完全没有燃烧的迹象，可从以下四个角度进行排查改错：

• 打磨不彻底：铁丝表面的致密铁锈层未除尽，隔绝了铁与氧气的接触。
• 氧气纯度过低：集气瓶在排空气法收集或保存时不够严密，混入了过多空气。
• 火柴伸入时机错误：火柴刚点燃就插进去，过早消耗了瓶内氧气；或者等火柴完全熄灭才插进去，没能提供引燃铁丝的热量。
• 送入速度过快：猛烈将铁丝插到底部，燃烧释放的热量导致气体膨胀，直接把瓶内的氧气顶出了瓶外。