鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的再分析改進(jìn)

陜西省西安市第一中學(xué)(710082) 邢麗麗

1 問題的提出及分析

鋁熱反應(yīng)是高中化學(xué)的一個(gè)重要演示實(shí)驗(yàn)，主要利用鋁的強(qiáng)還原性來冶煉高熔點(diǎn)金屬鐵，是一個(gè)典型的理論應(yīng)用于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)是冶金工業(yè)的重要科學(xué)基礎(chǔ)起著關(guān)鍵性作用。如果按照現(xiàn)行人教版化學(xué)必修2和蘇教版化學(xué)必須1教材的操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并不困難，但教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)關(guān)于此裝置有諸多不足:最主要的是濾紙容易燒穿，造成藥品濺落，且由于氯酸鉀燃燒時(shí)溫度不夠高，一陣煙花過后，看似實(shí)驗(yàn)成功，但多數(shù)時(shí)候并未發(fā)現(xiàn)鐵生成導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失??；此外還存在鎂帶不易點(diǎn)燃或者鎂條燃燒發(fā)出耀眼的白光傷害學(xué)生眼睛的問題；鋁熱劑用量多，造成火星噴濺，產(chǎn)物不易盛接會(huì)損壞蒸發(fā)皿和桌面；整個(gè)裝置缺少污物吸收，危害師生健康，且需用鐵架臺(tái)固定，攜帶不便等。

查閱大量文獻(xiàn)資料得知，關(guān)于鋁熱反應(yīng)的改進(jìn)已有很多同行進(jìn)行研究，主要采用諸如水泥漏斗、空心磚、小試管、六角螺母、Y型管、b型管等代替紙漏斗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以上改進(jìn)均有可取之處，但是實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)還存在許多問題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)水泥漏斗或者空心磚不利于觀察紅熱鐵水自上而下的熔化流動(dòng)過程，且水泥漏斗需要鐵架臺(tái)固定，空心磚制作麻煩、實(shí)用性不強(qiáng)。

(2)小試管所裝沙子和鋁熱劑要連續(xù)，不利于鐵水流動(dòng)掉落，導(dǎo)致試管局部由于長(zhǎng)時(shí)間溫度過高炸裂，存在安全隱患，即使不炸裂也要敲碎才能觀察到產(chǎn)物。

(3)六角螺母裝置設(shè)計(jì)不穩(wěn)定成型、操作麻煩、重復(fù)利用率差等。

(4)Y型管或b型管雖然設(shè)計(jì)巧妙，但需用鐵架臺(tái)固定，且操作不易，藥品用量大，無法采用小型密封罩，不夠環(huán)保，污染大。

基于解決以上問題，經(jīng)過認(rèn)真思考分析，筆者在他人研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用相關(guān)科學(xué)理論進(jìn)行此裝置的再次改進(jìn)。

2 改進(jìn)的科學(xué)方法與原理

主要采用文獻(xiàn)法、實(shí)驗(yàn)法、對(duì)比法、教育實(shí)踐相結(jié)合等方式進(jìn)行研究。研究時(shí)從鋁熱反應(yīng)的基本原理(金屬冶煉的相關(guān)知識(shí))和現(xiàn)行教材裝置的缺陷入手，以安全化、環(huán)保化、可視化、微型化和一體化為原則進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并切實(shí)應(yīng)用到教育教學(xué)中，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和認(rèn)知內(nèi)容的最佳結(jié)合。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)方法

上部采用硬質(zhì)直通玻璃管(內(nèi)徑約1.5 cm，長(zhǎng)約3 cm)代替紙漏斗作反應(yīng)容器，下部改用耐高溫的透明石英玻璃瓶(口徑與玻璃管相吻合)代替蒸發(fā)皿作產(chǎn)物承接容器，瓶?jī)?nèi)裝有白色石英砂代替普通沙子以便于觀察產(chǎn)物，上下相聯(lián)接后，再采用瓶口裝有濕棉花的玻璃罩(容積約5 L)作吸煙罩，最后將整個(gè)裝置置于耐高溫、阻燃的硅藻泥地墊上，確保整個(gè)體系安全環(huán)保可視化，點(diǎn)燃采用打火噴槍確保人身安全，最后利用磁鐵吸引生成的鐵單質(zhì)，以進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。裝置示意圖和效果圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 鋁熱反應(yīng)改進(jìn)裝置示意圖

圖2 “鋁熱反應(yīng)”安全環(huán)保可視化改進(jìn)裝置

4 實(shí)驗(yàn)操作步驟

4.1 搭裝置，裝藥品

(1)在透明石英玻璃瓶?jī)?nèi)裝入約1/2的白色石英砂，中間挖一孔便于生成物恰好掉落內(nèi)部以防濺落瓶壁，(或用鑷子在砂子中間平鋪兩根底部相靠的長(zhǎng)約1.5 cm的小鐵釘)。

(2)先用雙面膠封住硬質(zhì)玻璃管底部，再將其插入石英瓶，在管徑內(nèi)依次裝入事先混合均勻的3 g氧化鐵粉末和1 g鋁粉，邊裝入邊盡量壓實(shí)，在距孔徑0.5 cm處加入一小藥匙(約0.5 g)研細(xì)的氯酸鉀粉末，最后插入一根用砂紙打磨光亮的鎂帶(長(zhǎng)約3 cm，頂部彎折剪成絲狀以便點(diǎn)燃)。

(3)用小噴壺向玻璃罩上部和石棉絨上噴灑水霧后，備用(若實(shí)驗(yàn)室有通風(fēng)機(jī)可不用)。

4.2 點(diǎn)火，引發(fā)反應(yīng)

按下打火噴槍的開關(guān)，將火焰對(duì)準(zhǔn)鎂條加熱，鎂條燃燒后迅速蓋上玻璃罩，噴槍火力猛，反應(yīng)快，安全方便。

4.3 觀察現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)過程中清楚發(fā)現(xiàn)，鎂條劇烈燃燒，發(fā)出強(qiáng)光，瞬間引發(fā)反應(yīng)，火星四射，放出大量熱，紅熱的鐵水自上而下由于重力作用掉入石英砂中，先是熔成通紅的小球，后慢慢變成銀白色(插入的兩根鐵釘被成功焊接在一起)。玻璃罩內(nèi)充滿大量的濃煙，幾十秒后不斷消散(若有通風(fēng)機(jī)發(fā)現(xiàn)濃煙快速被吸收)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用鑷子夾出生成物，靠近磁鐵，發(fā)現(xiàn)能被磁鐵表面吸引，證明有鐵單質(zhì)生成。

5 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)及說明

硬質(zhì)管材質(zhì)厚，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量還未使其熔化即冷卻故不會(huì)炸裂，且經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，注意以下問題可達(dá)到最佳實(shí)驗(yàn)效果。

(1)硬質(zhì)玻璃管口徑為1.5 cm，長(zhǎng)度為2～3 cm效果最好，口徑過小(如1 cm)、長(zhǎng)度過長(zhǎng)(如5 cm)反應(yīng)不易引發(fā)且容易中斷，口徑過大(如2 cm)反應(yīng)過于劇烈不易控制。

(2)氯酸鉀要適量(約0.5 g左右)，以防反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體引起噴射，造成安全隱患。

(3)適當(dāng)減少還原劑鋁粉的用量(本實(shí)驗(yàn)中將氧化鐵與鋁粉的質(zhì)量配比由教材中的5∶2改成3∶1)，可大大減緩反應(yīng)的劇烈程度。

(4)鎂帶長(zhǎng)度約為3 cm最適宜，太短熱量不夠，太長(zhǎng)燃燒時(shí)間過長(zhǎng)生成過多白色物質(zhì)濺落，同時(shí)對(duì)眼睛的傷害程度也大為增加。鎂條必須打磨光亮，否則不易點(diǎn)燃。

(5)在玻璃空心管內(nèi)填裝鋁熱劑時(shí)，要將其壓實(shí)盡量減少空隙，既可以防止少量熔融物濺出，又能確保反應(yīng)連續(xù)。

實(shí)驗(yàn)說明：不同體系對(duì)比實(shí)驗(yàn)及適用教學(xué)場(chǎng)合如圖3～5所示。

(現(xiàn)象最為清晰，適合空曠場(chǎng)所演示，可用于化學(xué)興趣小組探究)圖3 開放體系

(有大量濃煙，適合有通風(fēng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)室演示)圖4 半封閉體系

(安全環(huán)保，適合教室演示)圖5 全封閉體系

6 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)最大創(chuàng)新點(diǎn)在于巧妙利用小型硬質(zhì)玻璃管的獨(dú)特材質(zhì)及構(gòu)造(耐熱、透明、微型)設(shè)計(jì)了一套安全環(huán)?？梢暬匿X熱反應(yīng)改進(jìn)裝置，并已在多個(gè)教學(xué)班使用，教學(xué)效果好，具備優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)用品低廉、安全環(huán)保：裝置取材于實(shí)驗(yàn)室常規(guī)儀器，硬質(zhì)玻璃管和細(xì)口石英瓶市場(chǎng)價(jià)僅需1元左右，成本低；增加吸煙罩使裝置安全環(huán)保，用噴霧法可有效防止煙塵逸散，有助學(xué)生樹立環(huán)保意識(shí)。

(2)操作簡(jiǎn)捷、現(xiàn)象直觀：取配好的藥品，用打火噴槍直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，幾秒左右即可清晰觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，場(chǎng)面震撼，實(shí)驗(yàn)效果好。

(3)裝置簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛：裝置穩(wěn)定成型，安全性能高，小巧方便、易于攜帶，試劑用量少，體系稍加改變，即可適用于多個(gè)教學(xué)探究場(chǎng)景。

(4)設(shè)計(jì)巧妙、培養(yǎng)素養(yǎng)：本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)可以清楚觀察到紅熱鐵水生成直至凝固全過程，且通過增加現(xiàn)場(chǎng)焊接鐵釘，又充分體現(xiàn)了理論與實(shí)際相結(jié)合，加深了學(xué)生印象，培養(yǎng)了科學(xué)素養(yǎng)。