鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)實驗再設(shè)計

葉小慈 謝永榮

摘要： 要讓學(xué)生理解和掌握鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的實質(zhì)，實驗是重要的途徑。

設(shè)計了兩個改進(jìn)實驗：

一是用熱的無水乙醇溶解氫氧化鈉以加大堿的濃度，加快產(chǎn)生氫氣的速率，采用排液的方式收集純凈氫氣，通過加水前后反應(yīng)現(xiàn)象的對比，掌握反應(yīng)的實質(zhì);二是使用注射器實現(xiàn)鋁的去膜、與水反應(yīng)、氣體檢驗一體化，體現(xiàn)反應(yīng)實質(zhì)。兩個實驗都能產(chǎn)生明顯的實驗教學(xué)效果，較好地體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)要求。

關(guān)鍵詞： 鋁; 氫氧化鈉溶液; 反應(yīng)實質(zhì); 鋁的去膜; 實驗改進(jìn)

文章編號： 10056629（2020）05005904

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

人教版教材《化學(xué)1（必修）》第三章“金屬的化學(xué)性質(zhì)”中的“鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)”實驗34“在2支小試管里分別加入5mL鹽酸和5mL NaOH溶液，再分別放入一小段鋁片，觀察實驗現(xiàn)象，過一段時間后，將點燃的木條分別放在2支試管口，你看到什么現(xiàn)象？”[1]。教材中描述： 通過實驗我們看到，鋁既能與鹽酸反應(yīng)，又能與NaOH溶液反應(yīng)，反應(yīng)都放出一種可燃性氣體氫氣。鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

實際上，按照教材的實驗設(shè)計操作，存在下列三個不足： （1）反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣無法燃燒，不能看見火焰;（2）產(chǎn)生的氫氣未經(jīng)驗純步驟就點燃，往往會產(chǎn)生爆鳴聲，存在安全隱患;（3）反應(yīng)現(xiàn)象不能使學(xué)生認(rèn)識到鋁與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)實質(zhì)是鋁與水的反應(yīng)。本文通過查閱相關(guān)化學(xué)文獻(xiàn)，比較其中兩個有代表性的改進(jìn)實驗。在此基礎(chǔ)上又重新設(shè)計了兩個新的適合課堂演示和學(xué)生操作的實驗。這兩個實驗均能順利地點燃?xì)錃?，清晰地看見氫氣安靜地燃燒，同時還能充分展現(xiàn)鋁與水反應(yīng)的實質(zhì)。

1 對兩個代表性改進(jìn)實驗的對比分析

關(guān)于鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的改進(jìn)實驗有很多文獻(xiàn)報道，現(xiàn)選取比較有代表性的兩個實驗進(jìn)行對比分析，詳見表1。

2 鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)實驗的再設(shè)計

鑒于對以上兩種實驗的對比分析和對鋁的性質(zhì)的探究，重新設(shè)計了兩個改進(jìn)實驗，經(jīng)過多次反復(fù)實驗驗證，均取得較好的實驗效果。

2.1 實驗一

實驗用品與實驗裝置：

具支試管、橡膠塞、燒杯、玻璃棒、尖嘴玻璃管、橡膠管、火柴、直通活塞、滴管;無水乙醇、NaOH固體、鋁絲、蒸餾水。實驗裝置如圖1所示。

實驗步驟與現(xiàn)象：

（1） 在100mL的燒杯中加入30mL無水乙醇和1.5g氫氧化鈉，用60～70℃水浴加熱，使固體氫氧化鈉溶解，制成熱的飽和氫氧化鈉乙醇溶液。

（2） 具支試管的支管接上直通活塞和尖嘴玻璃管，活塞1處于關(guān)閉狀態(tài)，試管中放入適量鋁絲，加入上述配置好的30mL熱的飽和氫氧化鈉乙醇溶液，觀察鋁絲在氫氧化鈉乙醇溶液中不發(fā)生反應(yīng)。

（3） 從具支試管上口通過漏斗加蒸餾水至接近上管口，塞好帶長頸分液漏斗的橡膠塞，分液漏斗的活塞2打開著。鋁絲表面很快有氣泡產(chǎn)生，產(chǎn)生的氣體將試管內(nèi)溶液壓至分液漏斗，當(dāng)試管內(nèi)液面降至支管口以下時，關(guān)閉分液漏斗的活塞2，打開支管直通活塞1（見圖1），氣體從尖嘴玻璃管排出。

（4） 點燃尖嘴玻璃管口排出的氣體，可見明顯的藍(lán)色火焰。

注意事項：

（1） 具支試管里的溶液要接近裝滿，以減少管內(nèi)的空氣，以盡快獲得純凈氫氣。

（2） 液面降至支管口以下，仍需過一段時間，讓試管里少量的空氣排凈后，尖嘴玻璃管才能點燃。

（3） 無水乙醇吸濕性大，不能選用開封太久的無水乙醇。

設(shè)計優(yōu)點：

（1） 采用排液的方式收集氫氣，確保產(chǎn)生純凈的氫氣，增加實驗的安全性。

（2） 用熱的無水乙醇溶解氫氧化鈉固體可增大NaOH溶液的濃度，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，提高氫氣的產(chǎn)生量使其能夠燃燒，增強(qiáng)了實驗的直觀性。

2.2 實驗二

防止鋁再次被氧化的方法大致有兩種： （1）氯化鈉溶液有助于鋁片快速和水反應(yīng)[4];（2）汞鹽與鋁生成的鋁汞齊能阻止鋁的氧化膜再生[5]。由于汞鹽的毒性大不宜采用，本實驗選用1%的氯化鈉溶液，并采用注射器作為反應(yīng)裝置。操作步驟如圖2所示。

實驗用品： 鋁條、4mol/L HCl溶液、1% NaCl溶液、2mol/L NaOH溶液、小燒杯、帶針頭的30mL注射器、肥皂水、酒精燈

實驗操作與實驗現(xiàn)象：

（1） 將鋁條剪成細(xì)條狀后用筆芯卷成5～6匝的鋁圈，拔出注射器活塞芯桿，將鋁圈放入。裝上活塞芯桿推至貼近鋁圈，見圖2①。

（2） 從小燒杯中緩緩吸入HCl溶液5mL，見圖2②。調(diào)整注射器角度，待鋁圈有較多氣泡冒出時，即可認(rèn)為去膜完成。此時可用肥皂水檢驗氣體，見圖2③。

（3） 緩慢推出HCl溶液，立刻吸入煮沸的NaCl溶液進(jìn)行洗滌3～4次，見圖2④。最后吸入NaCl溶液5mL，調(diào)整注射器角度，觀察鋁表面冒出的氣體，見圖2⑤?？梢钥吹戒X圈表面仍有許多氣泡冒出，隨溶液溫度的降低氣泡產(chǎn)生減緩至無明顯現(xiàn)象，有明顯氣泡產(chǎn)生的時間可持續(xù)7～8分鐘。振蕩注射器可以看到少量Al（OH）3白色小顆粒。

（4） 緩慢吸入5mL NaOH溶液，并用膠塞密封針嘴，見圖2⑥和⑦?？梢钥吹椒磻?yīng)非常激烈，冒出大量的氣體，待收集5～10mL氣體，拔出膠塞，調(diào)整注射器角度靠近火焰點燃，勻速推出氣體，可以看到氫氣安靜燃燒，見圖2⑧。

設(shè)計優(yōu)點：

（1） 利用注射器活塞芯桿推、吸的靈活性，使實驗洗滌過程變得簡單，其密封性保證了不易使去膜后的鋁再被氧化。

（2） 實驗以注射器作為反應(yīng)裝置具有簡單、安全的作用，如果作為課堂演示實驗，可以在學(xué)生之間傳遞以觀察實驗現(xiàn)象。

（3） 用簡單的儀器裝置可完成鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)實驗的去膜、洗滌、鋁與水及NaOH溶液反應(yīng)的一系列操作。

注意事項：

（1） 注射器不能持續(xù)加熱，實驗中所用的必須是煮沸的NaCl溶液。

（2） 鹽酸必須經(jīng)多次洗滌，以排除對鋁和水反應(yīng)現(xiàn)象觀察的影響。

（3） 鋁圈可以增大鋁的反應(yīng)面積，吸入和推出液體要緩慢勻速，以免吸入空氣。

不足之處：

加入NaOH溶液后反應(yīng)比較激烈，沒有經(jīng)過干燥的氫氣中含有少量氯化鈉溶液，燃燒時火焰夾帶黃色。

3 結(jié)語

教材中的實驗只是提到鋁和氫氧化鈉溶液會發(fā)生反應(yīng)，對反應(yīng)的實質(zhì)并沒有說明。本文參照文獻(xiàn)中已有的改進(jìn)實驗的優(yōu)點和相似性進(jìn)行新的實驗改進(jìn)設(shè)計，通過明顯的實驗現(xiàn)象推知該反應(yīng)中水是氧化劑，反應(yīng)的實質(zhì)是氫氧化鈉溶解了鋁和水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧化鋁從而促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行。學(xué)生通過觀察、辨識一定條件下鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的宏觀現(xiàn)象，從微觀層面理解物質(zhì)的性質(zhì)的聯(lián)系，體現(xiàn)化學(xué)核心素養(yǎng)中的“宏觀辨識與微觀探析”;根據(jù)實驗現(xiàn)象推理得出鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的實質(zhì)，充分體現(xiàn)了“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生良好的創(chuàng)新思維和解決問題的方式方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋心琦主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)1（必修） [M]. 北京： 人民教育出版社， 2007： 51.

[2]唐瑩， 黃翠英. 鋁和氫氧化鈉溶液反應(yīng)實驗改進(jìn)[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2017， （16）： 65.

[3]羅云強(qiáng). 鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的實驗探究[J]. 實驗教學(xué)與儀器， 2011， 28（3）： 29～30.

[4]王程杰. 關(guān)注氯離子效應(yīng)在中學(xué)化學(xué)實驗中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （11）： 53～58.

[5]中國人民解放軍總參謀部兵種部防化編研室編.劉漢鼎主編. 核化生防護(hù)大辭典[Z]. 上海： 上海辭書出版社， 2000.