鋁與純水反應演示裝置的再設計及反應過程探究*

葉永謙 張賢金 吳新建

鋁與純水反應演示裝置的再設計及反應過程探究*

葉永謙1*張賢金2吳新建2

（1福建省南安市僑光中學福建南安362314；2福建教育學院化學教育研究所福建福州350025）

鋁與水可以反應，但通常在堿性條件下進行。通過使用氯化汞溶液、硫粉、硫化鈉溶液及筒形分液漏斗等藥品和儀器，對鋁與純水反應演示裝置進行再設計，使實驗更加直觀、簡約、無害。通過對現象的分析，可以探究反應進行的過程。

鋁與純水；演示裝置；再設計；探究

鋁作為一種活潑金屬，具有與水反應的性質。中學演示鋁與水反應的實驗都是在堿性環境下進行，使用氫氧化鈉溶液、氯化汞溶液、氯化鈉溶液和煤油等試劑可以設計出鋁與水在中性條件下反應的演示裝置［1］。然而，以上設計還存在幾個不足之處：一是步驟過于繁雜：該設計前期處理用到氫氧化鈉、煤油、氯化汞等，并反復將鋁箔浸泡并沖洗，過程比較繁雜。二是結果還存遺憾：實驗最后與鋁反應的是熱的氯化鈉溶液，對鋁與水反應無需堿性環境是一種突破，但如果能設計出無需氯化鈉溶液只用純水也可以與鋁反應的實驗，將更具有說服力。三是不夠綠色環保：該設計在浪費藥品的同時，使用的氯化汞溶液及反應生成的汞單質均有毒，可能造成環境污染。

基于以上不足，本實驗進行有針對性的改進。在步驟和藥品方面：直接使用氯化汞溶液對鋁條進行處理，再用蒸餾水與鋁反應，鋁與蒸餾水劇烈反應，現象明顯。在綠色環保方面：從節約藥品的角度，就筒形分液漏斗的規格、氯化汞的濃度、鋁條的大小再調整；從防治污染的角度，使用硫粉處理汞蒸氣的污染，使用硫化鈉溶液處理氯化汞溶液的污染。

一、儀器和藥品的調整

1．筒形分液漏斗規格的確定

為了實現簡約化和無害化，本實驗將筒形分液漏斗的規格由1000mL調整為250mL，使需要的氯化汞溶液體積從200 mL減少到100 mL，盡量減少氯化汞的用量。

2．氯化汞溶液濃度的確定

由于常溫下配制的氯化汞溶液與鋁箔的反應比較緩慢，經過對比，使用溫水配制5%的氯化汞溶液進行實驗，如稱取5g氯化汞溶解于溫水中配制成100 mL溶液，所得溶液進行實驗反應較快，且可以觀察到鋁與冷水反應出現明顯的白色渾濁。如氯化汞濃度太大，雖反應劇烈，卻導致處理污染的成本增加，且產生的白色渾濁很快轉為灰色，影響產物的觀察。

3．鋁條大小和數量的確定

由于筒形分液漏斗上口徑是29mm，鋁條雖然可以塞進其中，卻難以取出。因此，合理的鋁條規格應該是長5cm、寬1cm左右，保證反應后可以順利倒出。同時，為了節約演示時間，必須使用一定數量的鋁箔反應，才可以較短時間內觀察到明顯現象，合理數量一般在20條左右。

二、實驗步驟與現象

1．裝鋁條

將剪好的鋁條放入筒形分液漏斗中，裝上三角漏斗和導氣管（圖1），導氣管口不要插入洗滌劑中（洗滌劑可將少量洗手液滴入水中配制而成）。

2．加氯化汞溶液

關閉玻璃活塞，打開止水夾，從三角漏斗中加入100mL溫水配制的5%的氯化汞溶液，使之浸沒鋁條。鋁條與氯化汞溶液立即反應，溶液變渾濁（圖2）。

圖1 鋁條剪切后裝入筒形分液漏斗中

圖2 鋁條與氯化汞溶液反應

3．洗滌鋁條并驗證洗凈

上述反應進行一分鐘左右，打開玻璃活塞，使溶液全部流出，在溶液流出之前，往盛裝溶液的大燒杯中先加兩勺硫粉，以處理可能流出的汞單質（圖3）。實踐發現，5%的氯化汞溶液與鋁條反應，一般不會出現汞單質直接流出的情況。

圖3 大燒杯中加硫粉處理汞單質

圖4 硫化鈉檢驗氯化汞已洗凈

當液體全部流出后，再加入冷水至浸沒鋁條，并迅速流出，重復三至四次。取最后一次洗滌液于試管中，滴入硫化鈉溶液，無明顯現象（圖4），證明已經不存在汞離子。再取最后一次洗滌液，測定其pH為中性，證明鋁條已經洗滌干凈（圖5）。

圖5 測pH檢驗已洗凈

圖6 鋁與冷水反應表面有氣泡冒出

4．鋁箔與冷水反應

鋁條洗滌干凈后，關閉玻璃活塞，往三角漏斗中加入蒸餾水至充滿整個筒形分液漏斗，關閉止水夾，將橡皮導管插入洗滌劑中。鋁條與冷水立即反應，表面有氣泡冒出（圖6），溶液先變白色渾濁，一段時間后變成灰色渾濁，產生的氣體將溶液壓入三角漏斗，三角漏斗中液面不斷上升（圖7）。

圖7 鋁與冷水反應溶液變渾濁、液面上升

圖8 氫氣的檢驗

5．氫氣的檢驗

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（圖8）。由于第一次排出的氣泡中混有導氣管中的空氣，爆鳴聲顯得清脆。再次收集氣體并點燃，爆鳴聲變得沉悶。

6．產物的無害化處理

由于洗滌液中含有汞離子，本實驗待反應液全部流出后，直接往大燒杯中加入硫化鈉溶液進行處理，使之轉化為硫化汞沉淀（圖9）。

圖9 往洗滌液中加入硫化鈉溶液

圖10 往反應后的鋁片表面撒硫粉

對于反應后的鋁片，由于表面有汞單質存在，本實驗使用硫粉進行處理，使之轉化為硫化汞固體（圖10、11）。

圖11 硫粉處理鋁片表面后

圖12 洗滌液底部有灰黑色沉積物

使用以上設計方案，不但節約藥品、操作簡單、現象明顯、綠色環保，還節約了演示時間，整套實驗演示下來大約在四至五分鐘，適合在課堂上進行演示。

三、鋁箔可以與冷水劇烈反應的過程探究

在以上實驗操作完成后，將溶液全部流出，再裝冷水，出現了奇怪的現象：重復10次，每次用水100mL左右，在收集到大約1000mL反應液后，反應依然劇烈。將反應液靜置，大燒杯底部有灰黑色固體沉積（圖12）。

洗滌液底部灰黑色沉積物到底是什么？聯系前述反應中，不管鋁條與蒸餾水反應，溶液中總是先出現白色渾濁，一段時間后渾濁變為灰色。白色沉淀是氫氧化鋁，而使其變為灰色的原因應該就是這種灰黑色沉積物。為了探究灰黑色物質的成分，本實驗做如下設計：將反應后的灰色渾濁液收集于燒杯中，滴加混有洗滌劑的鹽酸，攪拌，一段時間后溶液澄清，溶液表面上的少量氣泡用燃燒著的木條靠近，無明顯現象（圖13）。由此可以判斷，灰黑色物質應該是氧化鋁的小顆粒，灰色渾濁是白色的氫氧化鋁和灰黑色的氧化鋁粉末混合的結果。

圖13 用燃燒著的木條靠近氣泡無明顯現象

圖14 鋁箔表面變黑色

那么，為什么多次換水反應仍能劇烈進行？為了探究其中的原因，本實驗設計了如下過程：先讓與鋁條反應的蒸餾水全部流盡，靜置一段時間，觀察到鋁條表面變為黑色（圖14）。再加入冷水，鋁條表面的黑色物質不見了，又變為銀白色，反應劇烈進行（圖15）。

圖15 鋁箔表面又變為銀白色

圖16反應后鋁箔露置在空氣中

根據以上實驗對比，可以判斷，鋁條表面確實有氧化鋁粉末存在，但這些氧化鋁粉末無法形成致密的保護膜，容易脫落，不能與冷水反應。當這些氧化鋁粉末被冷水沖走后，鋁條表面露出新鮮的鋁，新鮮的鋁又與冷水劇烈反應。

取出反應后的鋁條，放置在空氣中，可以觀察到表面極為粗糙，并極易脫落，再次驗證了以上猜想。同時，鋁條表面還可以清晰地觀察到水銀球的存在，說明在與冷水反應前確實有鋁汞齊存在（圖16）。

四、實驗結論

使用氯化汞溶液處理鋁箔后鋁箔可以與水反應的過程如下：

其中，氯化汞溶液有三個作用：一是氯化汞溶液中汞離子可以破壞鋁表面的氧化膜；二是氯化汞溶液與鋁反應形成鋁汞齊，可以阻止致密的氧化膜重新生成［2］；三是氯化汞溶液中的氯離子能夠穿破膜孔或者膜表面裂縫，可以防止氫氧化鋁覆蓋在鋁的表面［3］。

以上方法處理后的鋁條與冷水接觸，即便不再有氯離子的作用，依然可以觀察到表面有氣泡冒出、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，證明產生的氣體是氫氣。筒形分液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。白色沉淀變灰色，與鹽酸反應變澄清且無氣體生成，可以判斷反應過程中鋁箔表面有黑色氧化鋁粉末存在。用冷水浸泡后，氧化鋁粉末容易脫落，此時露出的新鮮的鋁能與冷水劇烈反應。綜合以上現象，可以判斷鋁可以與冷水直接反應，鋁與水反應不一定需要在堿性條件下進行。

［1］葉永謙．鋁與水反應演示實驗裝置的設計［J］．化學教學，2015，（2）：62－63

［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］．實驗儀器與教學，2005，（4）：32－33

1008-0546（2015）09-0080-03

：G632．41

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10.3969/j．issn．1008－0546．2015．09．026

*本文系福建省教育廳2014年福建省中青年教師教育科研項目（社科A類）“高中化學教師學科教學知識發展研究”（課題編號：JAS14360）的研究成果之一。

*通訊聯系人：E－mail：15880968680@139．com