鋁熱反應的實驗改進

摘要:在分析了傳統鋁熱反應演示過程中的不足后，結合實踐，對該實驗的裝置和引燃方法進行了改進。

關鍵詞: 鋁熱反應;實驗改進

文章編號:1005-6629(2010)09-0003-02 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:C

鋁熱反應的演示實驗是高中化學課堂教學必做的實驗，通常作為鋁元素的重要化學性質之一而引出。由于實驗現象極為激動人心，使其成為為數不多的能給學生留下深刻印象的化學實驗之一。一般采用濾紙漏斗作為容器的方法進行操作，裝置如圖1所示。然而，該實驗在完成過程中常會遇到以下問題而無法得到應有的效果: (1) 鎂條不易點燃，需用酒精燈或打火機點燃，存在安全隱患。即使點燃，因鎂條燃燒產生的耀眼白光，易造成學生暫時的視覺損傷而難以清楚觀察到反應的后續現象;(2)用兩層濾紙漏斗作容器，盡管濾紙被潤濕過，但往往因為無法承受高溫的灼燒，造成濾紙被引燃，藥品散落，導致反應不完全;(3)紙漏斗開口較大，噴濺出來的鐵水存在一定的安全隱患，也容易對實驗操作臺面造成損害;(4)由于濾紙的遮擋，使坐在低處的學生只能看到類似燃放煙火的效果，很難全面看到反應真實的狀態，特別是因為無法觀察到有液態的鐵水生成，而對實驗所產生的高溫缺乏足夠的感性認識，看似成功的實驗卻留下不少遺憾。

筆者經過反復試驗，針對以上不足，做了具有創新意義的改進。不僅操作簡便、成功率大大提高，而且收到了很好的實驗效果。具體改進如下:

1 實驗改進

首先，對實驗裝置作了改進。用測定熔點的b形熔點測定管替代濾紙漏斗，裝置如圖2所示。熔點測定管盡管不是高中化學必備的實驗器材，但屬于常見的玻璃儀器，市售的價格在5～6元/只，材質通常為硬質玻璃，耐熱性能較好。

其次，對引燃方法作了改進。在實踐中發現高錳酸鉀和甘油等有機物發生劇烈反應時也能產生足夠的溫度并將鋁熱劑引燃，如果在高錳酸鉀中加入適量鎂粉的話，則可以進一步提高點燃的成功率。

2實驗用品

鐵架臺帶鐵夾，b型熔點測定管(簡稱b形管)，蒸發皿， 小紙片， 鋁熱劑(Fe2O3、Al粉)， 細砂，引燃劑(KMnO4、 Mg粉)， 甘油。

3實驗步驟

(1)實驗前將Fe2O3和鋁粉按質量比5∶2的比例混合均勻，配置成鋁熱劑。

(2)如圖2所示組建裝置。

(3)準備一張長條形紙片，長度和熔點測定管的高度相當，寬約2cm。將紙片插入到b形管底部，緊貼上下兩個支管口，作用是防止裝入的細砂和藥品滑入支管。

(4)分別在蒸發皿和b形管中填入細砂。b形管中的細砂填充至上端支管口附近，細砂略向下傾斜，便于反應生成的鐵水從支管口流出。

(5)在b形管中裝入混合好的鋁熱劑，一邊填充一邊壓實，一直裝到b形管口。

(6)在裝好的鋁熱劑上方撒上引燃劑，將引燃劑堆成錐形，并在錐形頂部壓一小凹坑，便于滴加甘油。

(7)在引燃劑上滴加4～5滴甘油，等待15秒鐘左右反應開始。

4注意事項

(1)配置鋁熱劑時，由于Fe2O3粉體易吸濕，配置前需烘干。鋁粉可以選擇顆粒稍細的，在200目以上的效果較好。Fe2O3與鋁粉的混合必須均勻，防止結塊。

(2)引燃劑的配置可以根據需要，將KMnO4和Mg粉按一定的比例混合即可，根據筆者的經驗，按照質量比5∶1的比例混合，引燃的成功率很高。

(3)甘油的黏度較大，冬天溫度較低時更甚，為了方便使用可加入少量水或稍微加熱以降低黏稠度，便于滴加后它能快速滲入到引燃劑中引發反應。當環境溫度較低時引燃的時間會稍長，但一般不超過30秒。

(4)在熔點測定管中填裝鋁熱劑時要注意將鋁熱劑壓實，盡量減少空隙，否則，反應中會有少量反應熔融物濺出。

(5)蒸發皿只是為了以防萬一備用，并不會有鐵水滴落。正常情況下，流經支管的鐵水還未將玻璃熔穿就已經冷卻凝固了。

5實驗優點

(1)良好的實驗效果

本實驗的最大突破是利用了b形管的特殊構造，讓觀察者能觀察到有流動的鐵水生成，而不是以往落入砂子已經凝固的鐵珠，這樣教師的教學就更有說服力了。

(2)較高的安全性

由于鋁熱反應只有固體物質生成，盡管產生極高的溫度，但不會發生爆炸。按如上方法將熔點測定管填裝滿所需的鋁熱劑大約21 g，產生的熱量約80 kJ，總體熱量不多。制作熔點測定管的硬質玻璃在700 °C左右軟化，但受到重力作用，鋁熱反應自上而下進行，熔融鐵水與玻璃的接觸時間很短，被軟化的玻璃立刻在空氣中冷卻變硬。通過反復實驗發現，將鋁熱劑置于試管或熔點測定管等玻璃容器中反應，不但不會出現玻璃爆裂的現象，而且由于開口較小且填裝緊實，相比于濾紙漏斗，火星噴射的距離更小，實驗更加安全。同時，改進的引燃方法可以給實驗操作者有足夠的時間退到安全的距離。

(3)操作簡便和高成功率

以往實驗中用鎂條作引燃劑，引燃后鎂帶燃燒產生的強光常會干擾對實驗本身現象的觀察，時常還會遇到鎂條不易引燃的情況。在使用KMnO4和鎂粉的混合引燃劑后無需用明火點燃，只要用甘油即可達到同樣的效果。甘油與KMnO4可以發生劇烈的氧化還原反應放出大量的熱，從而使鎂粉燃燒，鎂粉燃燒產生的高溫進而將鋁熱劑引燃。該方法的引燃成功率幾近100%。

(4)成本低而環保

熔點測定管的價格和蒸發皿相當，且玻璃可以回收，因此，并不會額外增加實驗成本。此外，可以用損壞的蒸餾燒瓶等具有支管的玻璃儀器來替代熔點測定管，可以達到廢物利用的目的。實驗完成后可用小磁鐵或磁針檢驗凝結在支管處的鐵塊。