鋁與水反應演示實驗裝置的設計

葉永謙+張賢金+吳新建+葉燕珠

摘要：為改善鋁與水反應演示實驗的效果，使用氫氧化鈉溶液、氯化汞溶液、煤油等試劑，將筒式分液漏斗等一些常見儀器進行組裝，設計了鋁與水在中性條件下反應的演示實驗裝置，可明顯地觀察到有氫氣和氫氧化鋁生成。

關鍵詞：鋁與水反應；演示實驗；實驗創新

文章編號：1005–6629（2015）2–0062–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

鋁作為一種較活潑金屬，具有與水反應的性質。由于鋁極易與空氣中的氧氣反應生成致密的氧化膜并牢固地覆蓋在鋁表面，阻礙了鋁與水的反應[1]，導致無法觀察到鋁與水直接反應的現象。即便破壞了鋁表面的氧化膜，鋁與水反應生成的氫氧化鋁也會覆蓋在鋁表面導致反應難以進行。

本實驗通過常見儀器的組裝，設計出可以明顯觀察到鋁與水反應生成氫氧化鋁、氫氣的裝置，適合在課堂上演示，讓學生真正感受鋁與水反應的實質。

1 實驗原理

本實驗的難點在于：一是鋁表面的氧化膜除去之后如何防止致密氧化膜重新生成；二是如何防止反應生成的氫氧化鋁覆蓋在鋁表面；三是如何確保反應在無氧環境下進行。

1.1 防止氧化膜重新生成的設計原理

本實驗先使用氫氧化鈉溶液與鋁箔反應破壞其氧化膜，再用沸水洗去氫氧化鈉溶液，然后使去膜的鋁箔與氯化汞溶液反應生成鋁汞齊。通過鋁汞齊的形成，使部分晶格鋁原子的位置被汞原子占據，無法再形成致密的氧化物保護膜[2]。

1.2 防止氫氧化鋁覆蓋在鋁表面的設計原理

本實驗使用熱的氯化鈉溶液代替水與去膜的鋁箔反應。由于氯離子能夠穿破膜孔或者膜表面裂縫，使氫氧化鋁從鋁表面脫落[3]，反應可以持續進行。

1.3 無氧環境的設計原理

本實驗過程中鋁箔始終浸沒在煤油或者溶液中，并且反應所需的溶液溶劑均使用沸水，防止水中溶解的氧氣氧化鋁箔。

2 實驗裝置

本裝置所用儀器均為實驗室常見儀器，其中筒式分液漏斗是裝置的核心部分。筒式分液漏斗筒部容量大，可以作為反應發生裝置并有利于觀察到明顯現象；底部的玻璃活塞可以反復分液，特別適用于本實驗中液體多次變化的需要。裝置實物圖（圖1）及裝置示意圖（圖2）如下：

3 實驗步驟及現象

3.1 使用氫氧化鈉溶液破壞氧化膜

步驟：在筒式分液漏斗中裝入長條狀鋁箔（寬約1厘米，長約20厘米），關閉玻璃活塞，打開導氣管止水夾，往三角漏斗中加入煤油至浸沒鋁箔，然后加入10%氫氧化鈉溶液至浸沒鋁箔，用于除去鋁箔表面的氧化膜。

現象：鋁箔浸沒在煤油中無明顯現象，接觸到氫氧化鈉后表面有氣泡冒出（圖3）。

3.2 使用沸水洗去鋁箔表面的氫氧化鈉溶液

步驟：當氫氧化鈉與鋁箔反應有大量氣泡出現時，打開筒式分液漏斗活塞，使氫氧化鈉反應后溶液迅速流出。關閉活塞，再往筒式分液漏斗中加入沸水至混合液體充滿筒部，然后打開活塞使洗滌過的沸水流出，重復2～3次。

現象：沸水接觸到鋁箔有少量氣泡冒出。通過洗滌，可以避免氫氧化鈉溶液對后續反應的干擾。

3.3 使用氯化汞溶液在鋁表面形成鋁汞齊

步驟：關閉筒式分液漏斗活塞，往其中加入5%氯化汞溶液。

現象：鋁與氯化汞溶液發生反應，鋁箔少量溶解，表面有灰色物質析出（圖4）。

3.4 使用沸水洗去鋁表面的汞

具體步驟與3.2相同。

3.5 使用熱的氯化鈉溶液與鋁反應

步驟：在鋁表面的汞用沸水沖洗后，關閉筒式分液漏斗活塞，往其中加入使用沸水溶解配制的飽和氯化鈉溶液至混合液體充滿筒部，并關閉導氣管止水夾，將導氣管插入裝有洗滌劑的燒杯中。一段時間后，打開止水夾，用燃燒著的木條接觸洗滌劑液面。

現象：鋁與熱的飽和氯化鈉溶液接觸后，表面立即有氣泡冒出，一段時間后，溶液呈現白色渾濁（圖5）。三角漏斗中液面上升，上升的液體也呈現白色渾濁（圖6）。打開止水夾后，三角漏斗中液面下降，導氣管口有氣體冒出并在洗滌劑表面形成氣泡，用燃燒著的木條接觸氣泡可以觀察到氣泡破裂燃燒且伴隨著明顯的爆鳴聲。

4 實驗結論

通過鋁與熱的氯化鈉溶液反應，觀察到鋁箔表面有氣泡冒出、三角漏斗中液面上升、洗滌劑表面產生的氣泡燃燒及爆鳴聲可以判斷鋁與水反應產生的氣體是氫氣。通過筒式分液漏斗下層液體及三角漏斗液體中出現的白色渾濁，可以判斷反應有氫氧化鋁生成。綜合以上現象，可以判斷鋁可以與水直接反應，鋁與水反應不一定需要在堿性條件下進行。

參考文獻：

[1]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M].南京：江蘇教育出版社，2009：67.

[2]荊入德.鋁與水反應實驗的設計[J].化學教學，2005，（11）：7～8.

[3]季明余，朱永侃.鹵素離子對鎂、鋁與水反應的影響研究[J].實驗教學與儀器，2005，（4）：32～33.