借助球形干燥管進(jìn)行鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

摘 要：為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性，豐富中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，對(duì)化學(xué)教材上編排的鋁和氧化鐵反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，增補(bǔ)了鋁和氧化銅反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。新設(shè)計(jì)的兩個(gè)鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，選用球形干燥管作反應(yīng)容器，借助鞭炮引燃鋁熱劑，利用瓷磚接收反應(yīng)產(chǎn)生的熔融物。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的安全性、簡(jiǎn)便性、可視性和觀賞性，有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)鋁熱反應(yīng)的原理及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋁與氧化鐵反應(yīng)；鋁與氧化銅反應(yīng)；鋁熱實(shí)驗(yàn)；球形干燥管

文章編號(hào)：1005-6629（2024）09-0074-04

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

現(xiàn)行各版本的中學(xué)化學(xué)教科書(shū)都編排有金屬鋁在高溫下還原金屬氧化物的鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)通常是把鋁粉、氧化鐵粉末放入紙漏斗里，借助鎂帶和氯酸鉀引燃鋁熱劑，利用盛有細(xì)沙的蒸發(fā)皿接收反應(yīng)產(chǎn)生的熔融物（實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1）。鋁熱反應(yīng)令人震撼的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)“金屬鋁具有強(qiáng)還原性”的化學(xué)性質(zhì)。

上述實(shí)驗(yàn)中，使用紙漏斗作為反應(yīng)容器，不僅產(chǎn)生較多的煙塵，而且其開(kāi)放的結(jié)構(gòu)還容易造成熔融物飛濺；用直立的鎂條引燃鋁熱劑，鎂條有時(shí)不能持續(xù)燃燒，造成鋁熱反應(yīng)不能順利發(fā)生，鎂燃燒的耀眼白光還會(huì)影響學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。另外，由于蒸發(fā)皿是不透明的陶瓷儀器，致使學(xué)生難以觀察到反應(yīng)生成了“流動(dòng)的鐵水”。因此，很多一線化學(xué)教師對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。

1 已有的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

查閱有關(guān)的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1） 改變引燃劑。如雷玉芳、俞遠(yuǎn)光等，使用強(qiáng)氧化劑（濃硫酸、高錳酸鉀、過(guò)氧化鈉、硝酸鉀等）與易燃物（蔗糖、甘油、無(wú)水乙醇、木炭粉等）組成新的引燃劑^{［1，2］}，通過(guò)劇烈的氧化反應(yīng)放熱，觸發(fā)鋁熱反應(yīng)的發(fā)生。

（2） 更換反應(yīng)容器。如孫海龍、王屹等，分別使用鐵漏斗或水泥漏斗、b形熔點(diǎn)測(cè)定管、空心磚等代替紙漏斗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)^［3，4］，避免了濾紙燃燒，減少了煙霧的伴生，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)裝置。

（3） 設(shè)計(jì)環(huán)保體系。如趙柏喆、但世輝等，分別利用塑料包裝盒、倒置的漏斗、無(wú)底試管等作為吸煙罩^{［5，6］}，以減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的污染。

（4） 實(shí)驗(yàn)裝10gWbBQNsO0Mc19HkB1n/Y2udI48Bsame/dCCsYEQT0=置微型化。如邵文兵、趙東洋等利用粉筆、泥漏斗等構(gòu)成微型實(shí)驗(yàn)裝置^{［7，8］}，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)藥品，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性。

（5） 增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性。如郭洪燃、朱建兵等，在實(shí)驗(yàn)中增加焊接鐵釘或鐵絲的現(xiàn)場(chǎng)操作^{［9，10］}（裝置見(jiàn)圖2），使實(shí)驗(yàn)生動(dòng)、有趣，能促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)到鋁熱反應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用（如冶煉金屬、焊接鐵軌等）。

以上改進(jìn)實(shí)驗(yàn)雖然還有不足，但其中的創(chuàng)新元素為我們進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)提供了有益的參考。

2 鋁熱實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們不僅改進(jìn)了鋁和氧化鐵反應(yīng)的鋁熱實(shí)驗(yàn)，還設(shè)計(jì)了鋁和氧化銅反應(yīng)的鋁熱實(shí)驗(yàn)，并取得了非常理想的實(shí)驗(yàn)效果。新實(shí)驗(yàn)裝置的反應(yīng)容器為25mL的普通球形干燥管，在球形管內(nèi)裝入鋁熱劑（鋁粉與金屬氧化物粉末的混合物），在鋁熱劑的上部插入剪掉尾部的小鞭炮；反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的熔融物流到瓷磚上，冷卻后形成較大的水滴狀金屬顆粒。

2.1 鋁和氧化鐵的反應(yīng)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)用品

主要有25mL的球形干燥管，鐵架臺(tái)（附鐵夾），60cm×60cm的瓷磚，藥匙，鑷子，脫脂棉，火柴或電子打火槍；鋁粉，氧化鐵粉末，鞭炮

2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示（鐵架臺(tái)省略，下同）。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 取一個(gè)25mL的球形干燥管，用鑷子將少許棉花塞入球形管與細(xì)管的連接處，以封閉球形干燥管的下部。

（2） 用藥匙取適量的氧化鐵粉末與鋁粉的混合物（兩者的質(zhì)量比約為5∶2，鋁粉稍過(guò)量），將其裝入球形干燥管中，注意使鋁熱劑充滿球形管并占據(jù)粗管容積的1/5。

（3） 取一個(gè)粗細(xì)約0.5cm的小鞭炮，從其尾部剪掉1/4（保留上部及炮捻），再將其插入鋁熱劑中（插入深度約0.5cm即可）。

（4） 取一個(gè)鐵架臺(tái)，在鐵架臺(tái)的底板上放置一塊60cm×60cm的瓷磚。再將裝好鋁熱劑的球形干燥管固定在鐵架臺(tái)上，注意使球形干燥管的細(xì)管正對(duì)著瓷磚的中部，并且細(xì)管的管口距離瓷磚10cm左右。

（5） 點(diǎn)燃鞭炮的炮捻，鞭炮中火藥燃燒，向下呲花，進(jìn)而觸發(fā)鋁熱反應(yīng)。此時(shí)可觀察到反應(yīng)異常劇烈，干燥管上、下管口均火花四濺，粗管口向上濺出的火花近1m高，如燃放煙花一般；球形干燥管熾熱發(fā)紅（但不會(huì)出現(xiàn)想象中的玻璃管爆裂現(xiàn)象），流下的熾熱液體通體透紅并閃耀著火花；熔融物落在瓷磚上形成水滴狀，稍冷卻，水滴狀熔融物凝結(jié)成具有金屬光澤的灰黑色固體顆粒（高約0.4cm、直徑約2cm）。另外，干燥管的內(nèi)壁與熔融物結(jié)合，形成具有銀灰色金屬光澤的鏡面。

（6） 待產(chǎn)物冷卻到室溫后，用鑷子取下水滴狀固體顆粒，交由學(xué)生近距離觀看。再用磁鐵靠近固體顆粒，發(fā)現(xiàn)能被磁鐵吸引。據(jù)此現(xiàn)象和質(zhì)量守恒定律推測(cè)，該實(shí)驗(yàn)確實(shí)有鐵生成（有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是2Al+FeO高溫2Fe+AlO）。

2.2 鋁和氧化銅的反應(yīng)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

主要有25mL的球形干燥管，鐵架臺(tái)（附鐵夾），60cm×60cm的瓷磚，藥匙，鑷子，脫脂棉，火柴或電子打火槍；鋁粉，氧化銅粉末，鞭炮

2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 按圖4裝好藥品（氧化銅粉末與鋁粉的質(zhì)量比約為3∶1，鋁粉稍過(guò)量），連好裝置。其余操作（如封閉球形干燥管下部等）同上。

（2） 點(diǎn)燃鞭炮，火藥燃燒引發(fā)鋁熱反應(yīng)。觀察到鋁熱劑劇烈燃燒，比“鋁粉與氧化鐵的反應(yīng)”還要?jiǎng)×?，球形干燥管的粗管口濺出的火花更多、更高；反應(yīng)產(chǎn)生的紅色熔融物從球形干燥管的細(xì)管流下，落到瓷磚上，形成金黃色水滴狀的固體顆粒（高約0.4cm、直徑約1.8cm）。根據(jù)反應(yīng)現(xiàn)象和質(zhì)量守恒定律可以推知，該實(shí)驗(yàn)確實(shí)有銅生成（有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式是2Al+3CuO高溫3Cu+AlO）。

（3） 待產(chǎn)物冷卻到室溫后，用鑷子取下金黃色水滴狀固體顆粒，交由學(xué)生近距離觀看。另外，還可以觀察到干燥管的內(nèi)壁與熔融物結(jié)合，形成金黃色的鏡面。

3 注意事項(xiàng)

（1） 本實(shí)驗(yàn)中，加入的鋁熱劑粉末要裝滿球形部分，并占據(jù)粗管容積的1/5，這樣既保證鋁熱劑足量，又便于插入鞭炮。但是鋁熱劑也不能過(guò)多，以防反應(yīng)過(guò)于劇烈，發(fā)生危險(xiǎn)。

（2） 用作引火劑的鞭炮，必須剪去尾部，千萬(wàn)不能將一個(gè)完整的鞭炮插入鋁熱劑中，以防點(diǎn)火時(shí)發(fā)生爆炸。另外，點(diǎn)燃炮捻后，操作者應(yīng)立即后退到離實(shí)驗(yàn)裝置1米以外的地方，以防熔融物濺到身上。

（3） 為了確保實(shí)驗(yàn)安全，實(shí)驗(yàn)臺(tái)周圍不能有易燃物，實(shí)驗(yàn)裝置要遠(yuǎn)離照明和電教設(shè)備（至少2.5m）；為了防止反應(yīng)產(chǎn)生的火花濺到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，瓷磚的大小至少達(dá)到60cm×60cm。

（4） 球形干燥管的細(xì)管口距離瓷磚不能少于8cm左右（10cm比較合適），以防熔融物流下時(shí)將細(xì)管口與瓷磚粘合在一起。

4 實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1） 本實(shí)驗(yàn)使用底部封閉的球形干燥管作為反應(yīng)容器，使得藥品集中、受熱充分，有利于鋁熱反應(yīng)的爆發(fā)與推進(jìn)；雖然反應(yīng)非常劇烈，但由于反應(yīng)體系相對(duì)封閉，使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程較為安全。另外，經(jīng)歷1500℃以上的高溫洗禮，球形干燥管的內(nèi)壁能形成具有金屬光澤的銀鏡（或銅鏡）外觀，豐富了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2） 球形干燥管上粗、下細(xì)的結(jié)構(gòu)，有利于反應(yīng)產(chǎn)生的熔融物沿著下端的細(xì)管順利流下；球形干燥管作為透明的玻璃儀器，能使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前。

（3） 瓷磚表面潔凈，沒(méi)有細(xì)沙的干擾，有利于熔融物在瓷磚上形成較大的水滴狀金屬顆粒，避免了“鋁熱反應(yīng)放煙花，不見(jiàn)鐵水只見(jiàn)沙”的尷尬場(chǎng)景。另外，瓷磚表面積較大（3600cm²），有利于保護(hù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)面。

（4） 采用帶有炮捻的鞭炮引燃鋁熱劑，引火時(shí)間較為充足，克服了鎂帶引燃的不確定性。

（5） 增補(bǔ)“鋁和氧化銅反應(yīng)”的鋁熱實(shí)驗(yàn)，能拓展學(xué)生的學(xué)科視野，強(qiáng)化鋁熱反應(yīng)的內(nèi)涵認(rèn)識(shí)。

（6） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的煙霧較少，造成的污染微乎其微，故本實(shí)驗(yàn)無(wú)需在通風(fēng)櫥或鐘罩內(nèi)進(jìn)行。

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