鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的再改進(jìn)

王云霞

摘要：對教材中設(shè)置的鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)中的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)提出商榷之處，從微型化、安全化、綠色化等角度再次進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)用品易得、操作簡單、現(xiàn)象明顯、低碳環(huán)保、安全實(shí)驗(yàn)等目的。

關(guān)鍵詞：鋁熱反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)；高中化學(xué)教學(xué)

文章編號：1005-6629（2016）2-0058-03

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題的提出

鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是一個典型的理論應(yīng)用于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)行蘇教版教材兩次涉及該實(shí)驗(yàn)，分別出現(xiàn)在《化學(xué)1（必修）》第65頁和《實(shí)驗(yàn)化學(xué)（選修）》第23頁。高中化學(xué)教學(xué)中，為了讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)鋁熱反應(yīng)的知識，增強(qiáng)課堂的趣味性，一線教師都會演示該實(shí)驗(yàn)。然而實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常會遇到以下情況：鎂條難被點(diǎn)燃；由于鋁熱反應(yīng)非常劇烈，實(shí)驗(yàn)時甚至很害怕去點(diǎn)燃鎂條；鎂條燃燒發(fā)出的耀眼強(qiáng)光，會傷害眼睛；鋁熱反應(yīng)發(fā)生過程中，火星四射，熔融物飛濺，燒壞實(shí)驗(yàn)臺甚至灼傷離實(shí)驗(yàn)臺較近的師生；實(shí)驗(yàn)中生成的濃煙，久久不能散去，影響正常教學(xué)；濃煙中細(xì)小固體顆粒若被人體吸入，影響師生健康。《實(shí)驗(yàn)化學(xué)（選修）》第24頁也明確寫出安全須知：因鋁熱反應(yīng)非常劇烈，操作時應(yīng)注意防止?fàn)C傷，最好戴上石棉手套和防護(hù)眼罩，并移開附近的易燃物。可見，該實(shí)驗(yàn)操作方法非常麻煩且存在嚴(yán)重的安全隱患，不符合當(dāng)今的綠色環(huán)保、安全教育的理念。

筆者查閱了2010到2015年《化學(xué)教學(xué)》、《化學(xué)教育》、《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》三大期刊相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)孫海龍、于永民及俞遠(yuǎn)光等老師的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)有較強(qiáng)的操作性。筆者經(jīng)過反復(fù)操作3位老師的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)值得商榷：

（1）空心磚及空心圓柱體的制作均較麻煩，另外，在實(shí)際操作中空心磚及空心圓柱體有爆裂的危險（可能與其含水量有關(guān)，也可能與散落的高溫熔融物有關(guān)，具體原因不明）。

（2）雪碧瓶（2.5L）及其他老師使用的色拉油瓶（5L），由于瓶壁太薄，紅熱的熔融物濺到瓶壁上，瓶壁立即軟化塌陷，甚至燃燒。不但不能起到收集煙塵的作用，反而造成新的污染。

（3）俞遠(yuǎn)光老師的鞭炮引燃方式存在—定的安全隱患，不宜采用。另外，濾紙燃燒并非濃煙產(chǎn)生的主要原因（可點(diǎn)燃濾紙進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證），俞老師的實(shí)驗(yàn)在敞開的環(huán)境中進(jìn)行，故仍存在相當(dāng)程度的煙塵污染。

針對以上不足，筆者從“實(shí)驗(yàn)微型化”、“廢物循環(huán)利用”、“綠色環(huán)保”及“裝置簡約、安全”等角度對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。

2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

儀器：圓形濾紙（直徑7cm）、膠頭滴管、托盤天平、蒸發(fā)皿、塑料盒（筆者使用白酒的外包裝盒，厚度遠(yuǎn)大于雪碧瓶，受熱不易軟化及燃燒，盒子的下口邊長比蒸發(fā)皿的直徑稍大即可，若下口邊緣有孔或者下端不平齊，可用寬透明膠帶封住）、藥匙、小噴霧器（如裝防蚊水的塑料瓶）、坩堝鉗、剪刀、砂紙、磁鐵、試管刷、木板、鐵片（平整、長寬略大于白酒盒的口徑，保證煙塵不泄漏即可。可用鐵質(zhì)餅干盒的蓋子）、細(xì)沙子

藥品：氧化鐵粉末、鋁粉、鎂條、氯酸鉀粉末、高錳酸鉀晶體小顆粒、純甘油、氫氧化鈉溶液

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

利用高錳酸鉀能夠氧化甘油的性質(zhì)，引發(fā)甘油燃燒（室溫下約需20s時間，此段時間實(shí)驗(yàn)者可以非常安全地將塑料盒罩住整個反應(yīng)裝置，形成封閉體系），甘油燃燒產(chǎn)生二氧化碳及足夠的熱量，使鎂條在充滿空氣和二氧化碳的氛圍中劇烈燃燒，產(chǎn)生的熱量提供了鋁熱反應(yīng)的高溫條件。向塑料盒中噴人的氫氧化鈉溶液可以吸收多余的二氧化碳，煙塵也會自發(fā)地沉降或粘附在瓶壁的溶液中。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程、裝置及現(xiàn)象

（1）將濾紙三次對折后折成一個一邊三層另一邊五層的紙漏斗，用水濕潤（可以將反應(yīng)體系與外界的沙子隔開，即使經(jīng)過鋁熱反應(yīng)的高溫后，紙漏斗也幾乎沒被損壞，避免了細(xì)沙中的磁鐵礦對鋁熱反應(yīng)中生成的鐵單質(zhì)檢驗(yàn)的干擾）。

（2）將Fe₂O₃粉末和鋁粉按質(zhì)量比大約5：2均勻混合后，取0.7克（約大半藥匙）放入紙漏斗，用藥匙的末端在混合物中挖一個凹槽型小洞，填滿氯酸鉀粉末（用藥匙將其與表面的鋁熱劑略微混合）。

（3）將紙漏斗放在蒸發(fā)皿的中心，周圍用細(xì)沙填埋固定至與紙漏斗的上邊緣相平齊（注意細(xì)沙不要倒進(jìn)紙漏斗）。

（4）在紙漏斗旁邊的沙子上，放入0.7克高錳酸鉀晶體小顆粒，堆成小山狀，用鑰匙的尖端在其頂部搗一個凹槽型的小洞（為容納甘油液體做準(zhǔn)備）。

（5）用砂紙將鎂條打磨光亮，剪取約4cm長的一段，一端剪成細(xì)絲。將未處理的一端插入鋁熱劑中盛氯酸鉀的凹槽中，另一端恰好置于高錳酸鉀顆粒堆成的凹槽型小洞的洞口（如圖1）。將蒸發(fā)皿放到有防護(hù)裝置的實(shí)驗(yàn)臺上（減少飛濺的熔融物對實(shí)驗(yàn)臺的損傷。具體設(shè)計如圖2，并在實(shí)驗(yàn)臺上放一塊木板，再在上面放—塊鐵片）。

（6）用小噴霧器向塑料盒的內(nèi)壁及頂端噴氫氧化鈉水霧，至瓶壁上形成薄薄—層小水珠。

（7）用膠頭滴管滴入4～5滴甘油至高錳酸鉀顆粒堆成的凹槽型小洞中，立刻用（6）中處理過的塑料盒罩住反應(yīng)裝置（如圖2）。

（8）大約20s后便可看到高錳酸鉀和甘油的混合體系冒白煙，接著聽到“噼啪”的響聲，看到甘油燃燒的火焰，隨即鎂條被點(diǎn)燃劇烈燃燒至紙漏斗中后，瞬時火花飛濺，同時還能看到紙漏斗中紅熱的鐵球形成。6～8min后煙塵基本沉降，紅熱的鐵球也基本恢復(fù)室溫。

（9）提起塑料盒，用坩堝鉗取出紙漏斗（除與高錳酸鉀接觸的一端燒損，其他基本完好無損），倒出其中的熔融物，放在磁鐵上能被吸引，說明該反應(yīng)生成了單質(zhì)鐵。塑料盒用試管刷刷洗后煥然一新，可多次重復(fù)使用。

3 改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

（1）操作安全：用高錳酸鉀氧化甘油，以甘油自燃的方式引燃鎂條，這個過程約需20s的時間，操作者有足夠的時間將整個裝置用塑料盒罩住，根本無需使用石棉手套；用作反應(yīng)裝置的紙漏斗周圍用沙子填埋固定，簡單安全；而劇烈的反應(yīng)在幾乎封閉的塑料盒中進(jìn)行，師生可以近距離觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。塑料盒還減弱了燃燒強(qiáng)光對眼睛的傷害，相當(dāng)于戴上了護(hù)目鏡的效果，整個過程無任何安全隱患。

（2）微型、綠色、低碳、環(huán)保：使用實(shí)驗(yàn)室最小尺寸直徑7cm的圓濾紙，方便易得，藥品用量幾乎減小到蘇教版教材的的十分之一，甘油用量僅需5滴即可；而引燃甘油產(chǎn)生的CO₂氣體，一部分與鎂條反應(yīng)，多余的部分被塑料盒壁的NaOH溶液吸收，除此之外，塑料盒壁的溶液還有利于煙塵的沉降；塑料盒罩住整個反應(yīng)裝置，減少了大量煙塵外逸污染環(huán)境。

（3）儀器可多次重復(fù)使用：筆者為驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)的可操作性，重復(fù)操作超過十五次，蒸發(fā)皿及塑料盒均無任何損傷。

（4）裝置簡約，材料易得，適宜推廣.塑料盒、小噴霧器均為生活中常見的廢棄物，易獲得、易制作，其余均為實(shí)驗(yàn)室常見儀器，無需很多成本。整個裝置小巧、輕便、易攜帶，易推廣。結(jié)合上述優(yōu)點(diǎn)，可以將該演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。endprint