鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的電學(xué)改進(jìn)方案

趙英亮

【摘 要】引發(fā)鋁熱反應(yīng)的最大難點(diǎn)在于創(chuàng)造高溫環(huán)境，本文提出一種針對(duì)性改進(jìn)措施，以對(duì)鎢絲通電，瞬間達(dá)到高溫，直接接觸鋁熱劑的簡潔物理方法，替代教材中的繁瑣化學(xué)方法，引發(fā)鋁熱反應(yīng)，裝置簡潔，成功率極高，優(yōu)勢突出。

【關(guān)鍵詞】鋁熱反應(yīng);實(shí)驗(yàn)改進(jìn);鎢絲

1.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路

鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)在教材中處于人教版化學(xué)必修二第四章第一節(jié)，該節(jié)主要介紹金屬冶煉，并通過該實(shí)驗(yàn)，向?qū)W生展現(xiàn)出一種以鋁煉鐵的新型置換反應(yīng)，更能幫助其開拓視野。因該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，火星四射，反應(yīng)劇烈，若在課堂上當(dāng)場演示該實(shí)驗(yàn)，雖能給學(xué)生留下深刻印象，提升其學(xué)科素養(yǎng);但教材中以燃燒鎂條，劇烈放熱創(chuàng)造高溫環(huán)境為主，以氯酸鉀受熱分解供氧，促進(jìn)鎂條燃燒放熱為輔的引發(fā)方案，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，存在以下幾點(diǎn)主要不足：

第一，該實(shí)驗(yàn)中，氯酸鉀粉末堆積的方式影響實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)驗(yàn)引發(fā)不易控制，成功率有限。

第二，使用鎂條引燃，氯酸鉀供氧，加入與鋁熱劑自身無關(guān)的兩種物質(zhì)，浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)試劑，實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)性不足，易引發(fā)學(xué)生混淆與誤解。

第三，鎂條屬于易燃，氯酸鉀屬于易燃易爆物質(zhì)，一起使用降低了實(shí)驗(yàn)的安全性;鎂條點(diǎn)燃時(shí)光芒刺眼，反應(yīng)在開放體系中火星四濺，難受控，易傷人，學(xué)生必須保持較大安全距離。

第四，鎂條引燃后，插入并升溫鋁熱劑的部分繼續(xù)燃燒時(shí)，粉末密集堆積，外界氧氣較難進(jìn)入助燃，需要再加入氯酸鉀，使其受熱分解供氧，步驟較為繁瑣。

第五，反應(yīng)在開放體系中進(jìn)行，易形成大量煙塵，造成固體飛濺，不符合綠色化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

而筆者改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)方法的思路，側(cè)重于以物理反應(yīng)制造高溫。先將接入電路的鎢絲置于鋁熱劑之上，再直接在空氣中向鎢絲通電，一方面鎢絲因電流的熱效應(yīng)升溫迅速，另一方面鎢絲直接受熱后，同時(shí)與氧氣發(fā)生放熱反應(yīng)生成氧化鎢并熔化，瞬間達(dá)到鋁熱反應(yīng)所需高溫條件，同時(shí)直接接觸鋁熱劑，反應(yīng)可立即引發(fā)。

本次實(shí)驗(yàn)以通電鎢絲創(chuàng)造高溫環(huán)境的方法，代替化學(xué)試劑引發(fā)鋁熱反應(yīng)，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

第一，鎢絲只有通電才能引發(fā)反應(yīng)，使得實(shí)驗(yàn)引發(fā)更容易被控制，成功率極高。

第二，微量高效，一次實(shí)驗(yàn)僅需3cm鎢絲，3g鋁熱劑，且效果明顯，清晰直接。

第三，避免易燃易爆化學(xué)試劑的使用，實(shí)驗(yàn)更加安全平穩(wěn)。

第四，實(shí)驗(yàn)僅需220V交流電即可引發(fā)，實(shí)驗(yàn)步驟得到精簡，更為清晰明了，給學(xué)生以清晰直觀的感受。

第五，整個(gè)實(shí)驗(yàn)清潔環(huán)保，完全在大玻璃瓶內(nèi)完成，通過瓶口加蓋石棉蓋，瓶底加墊石棉層防火，污染物與煙塵可控，符合綠色化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

2.實(shí)驗(yàn)裝置制作

耐高溫瓶蓋：將與大玻璃瓶配套的塑料瓶蓋中塞滿石棉，并鉆兩個(gè)孔。

導(dǎo)線進(jìn)瓶蓋：將兩根覆蓋玻璃絲的15cm長銅導(dǎo)線直插入瓶蓋兩孔中10cm并固定。

導(dǎo)線接電路：將瓶蓋上方兩根銅導(dǎo)線分別連接帶有插頭，開關(guān)的火線與零線。

鎢絲入電路：將瓶蓋下方導(dǎo)線彎成鉤狀，將鎢絲兩端分別掛在兩鉤上。

瓶底墊石棉：取出深度約為15cm的大玻璃瓶，向瓶內(nèi)底部墊入石棉至5cm高，以防鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生高溫，損壞裝置。

3.實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

實(shí)驗(yàn)器材：銅導(dǎo)線，黑膠布，接線柱，帶有插頭、開關(guān)的導(dǎo)線，220V交流電源，大玻璃瓶，石棉，研缽，藥匙，漏斗，電子天平。

實(shí)驗(yàn)藥品：鋁粉，四氧化三鐵，鎢絲。

4.實(shí)驗(yàn)原理

5.實(shí)驗(yàn)步驟

第一步：用電子天平稱量2.5g鋁粉，7.0g四氧化三鐵，以研缽碾碎混勻，配置鋁熱劑。

第二步：將3g鋁熱劑（由四氧化三鐵與鋁粉組成）用漏斗放入大玻璃瓶底的石棉上，攤開成長約2CM，寬為1CM的矩形，并將已接入電路的鎢絲準(zhǔn)確置于鋁熱劑上方與之接觸，塞緊瓶口。

第三步：向鎢絲通電使其升溫，瞬間引發(fā)鋁熱反應(yīng)。

第四步：觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，討論實(shí)驗(yàn)過程，得出正確結(jié)論。

6.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

瓶內(nèi)產(chǎn)生明亮火焰數(shù)秒，發(fā)出明顯火光，固體持續(xù)紅熱，直至最后出現(xiàn)銀白色固體（鐵塊）。

7.實(shí)驗(yàn)反思與評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)簡化傳統(tǒng)裝置，以鎢絲通電急劇升溫的物理方法，替代了點(diǎn)燃鎂條放熱等化學(xué)方法，可瞬間引發(fā)鋁熱反應(yīng)，結(jié)合了物理與化學(xué)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)步驟簡潔合理，微量高效，材料成本低（僅需鎢絲及其升溫電路，鋁熱劑等），成功率極高，可操作與演示性更強(qiáng)，符合綠色化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了創(chuàng)新精神，更可豐富學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，還能夠?qū)⒋朔椒ㄍ茝V到更多需要?jiǎng)?chuàng)造高溫環(huán)境的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中去。

另外，在反復(fù)實(shí)踐中同樣發(fā)現(xiàn)，保持鋁熱劑干燥是引發(fā)鋁熱反應(yīng)的關(guān)鍵條件之一。

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