用多孔泡沫金屬改進中學化學實驗的若干案例

王新福

摘要： 多孔泡沫金屬是一種具有多孔網狀結構的新型功能材料，具有孔隙率高、比表面積大等特征。設計了四個實驗案例，介紹泡沫金屬在中學化學實驗中的應用。用泡沫鎳作為氫氧燃料電池的電極，可以在其孔隙結構中儲存更多氣體，延長放電時間。用泡沫銅卷曲后催化氧化乙醇，可增大接觸面積，提高催化效果。用泡沫鎳負載TiO2后，可用于紫外光催化分解甲醛。用泡沫鋅與稀硫酸反應，可大大提高反應速率，證明反應物接觸面積對速率的影響。

關鍵詞： 多孔泡沫金屬； 比表面積； 中學化學實驗； 實驗改進

文章編號： 10056629（2024）01007104

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 引言

多孔泡沫金屬是一種具有多孔結構的固體金屬（通常有銅、鎳、鐵、鋁等），其主要特征是高孔隙率，僅有5%～25%的體積是基底金屬，其余部分由空氣孔隙構成。以泡沫鎳（圖1）為例，其金屬基底具有三維立體的網孔結構（圖1左圖和中圖），金屬骨架相互交連，形成多面體拓撲結構，內部存在大量孔隙（圖1右圖）。作為一種新型功能材料，泡沫金屬已被用于催化載體、阻燃防爆、吸音、鉆井隔水管浮筒、人工骨等多個領域［1］。

本文結合四個具體實驗案例，介紹如何利用泡沫金屬的特殊結構和性質，改進中學化學實驗。歸納而言，主要有以下四種改進思路。

（1） 儲存氣體：泡沫金屬具有錯綜復雜的網狀結構，當其浸入溶液中后，小氣泡不易穿過網狀金屬骨架，因此泡沫金屬內可以儲存一些氣體。

（2） 高效催化：當泡沫金屬的基底金屬本身就是催化劑時，可以實現更高效的催化效果，因為當液體或氣體通過泡沫金屬時可以更充分地接觸。

（3） 負載催化：即使基底金屬本身不是催化劑，也可以在金屬骨架上負載催化物質，實現高效催化的功能。

（4） 增大反應速率：泡沫金屬的比表面積極大，當金屬參與反應時，可增大反應物接觸面積，從而增大化學反應速率。

2 泡沫鎳作電極的氫氧燃料電池

2.1 實驗改進思路

氫氧燃料電池是高中化學的重要實驗，常見思路是以惰性物質作電極，先電解水生成氫氣和氧氣，儲存在2個電極上，然后把電極連接到電路中，形成氫氧燃料電池。教材實驗用2個多孔碳棒作為電極，但其吸附氣體的能力有限，驅動小電扇的放電時間不長［2］。為了讓電極儲存更多氣體，有研究者在石墨電極外包裹泡沫塑料［3］，但泡沫塑料中只有與碳棒接觸的部分氣體能參與電極反應，其余不參與反應的氣體反而會阻礙電解質溶液與電極的接觸，造成放電效率降低。

筆者嘗試直接使用泡沫金屬作為電極，不僅具有類似泡沫塑料一樣的儲存氣體的結構，而且整個泡沫金屬都具有導電性，使電極材料、電極反應物和電解質溶液能夠充分接觸。

2.2 實驗材料

儀器：剪刀、刻度尺、電解盒、接線柱、導線、開關、小電扇、9V電池或直流電源

藥品：1mol/L Na2SO4溶液、泡沫鎳（注：理論上泡沫鎳厚度越大，儲氣越多，效果越好，但厚度太大又不便于用剪刀裁剪，筆者多次嘗試后選用了1.7mm厚的泡沫鎳）

2.3 實驗步驟

（1） 按照圖2左上角的圖示，每個電極都需要剪下8片泡沫鎳片，分別為：6片橫向的正方形隔板、1片單獨的側面、1片三聯的側面。按照圖示“雙線”的位置，在泡沫鎳片上剪出缺口。

（2） 把1片三聯的側面按照圖示“虛線”的位置彎折90°，接著把6片正方形隔板按照編號插入其中，然后把1片單獨的側面從左向右插入。這樣就拼裝成了長和寬均為20mm的立方柱，內含AB、 BC、 CD、 DE、 EF五個高10mm的腔室。

（3） 按照相同的方法制作另一個泡沫鎳電極，然后將其安裝在電解盒中。倒入Na2SO4溶液。用導線把2個電極與直流電源和開關S1連接起來，用另幾根導線把2個電極與小電扇和開關S2連接起來。

（4） 閉合S1，形成電解水的電解池，通9V直流電5min后斷開。

（5） 閉合S2，形成氫氧燃料電池，供小電扇運轉，記錄轉動時間。

2.4 實驗結果

S1閉合形成電解池后，2個泡沫鎳電極均生成氣體，氣泡不僅可儲存于泡沫鎳自身的孔隙（約占80%體積）的內部，還可以儲存于五個相對獨立的腔室中（例如，平面E產生的氣體向上逸出后會被平面D擋住），因此儲氣量極大。

S2閉合形成燃料電池后，小電扇立刻開始轉動，持續工作67s。作為對比，筆者把泡沫鎳電極換成多孔碳棒，重復實驗，此時小電扇僅能工作14s。上述結果證明，泡沫鎳電極的設計提高了儲氣量，提高了燃料電池的放電性能。

3 泡沫銅催化乙醇氧化

3.1 實驗改進思路

泡沫金屬不僅比表面積大，而且透氣性、透水性好，可以允許反應物流過、充分接觸，因此可用于高效催化。在實際操作中筆者發現，片狀的泡沫金屬易裁剪，而且可以彎曲成任意形狀，非常適合代替傳統的粉末狀或絲狀金屬催化劑，“泡沫銅催化氧化乙醇”實驗僅僅是其中一個例子。

3.2 實驗材料

儀器：剪刀、刻度尺、粗口徑的短試管（或50mL燒杯）、酒精燈

藥品：1.5mm厚的泡沫銅、銅絲、無水乙醇

3.3 實驗步驟

（1） 如圖3所示，剪下一塊長3cm、寬2.5cm的泡沫銅片，在一個角多預留一小片泡沫銅片，用剪刀的尖頭在預留處戳一個小孔。

（2） 把泡沫銅片按螺旋狀卷成圓筒，內部可以寬松一些。然后用一根銅絲穿過小孔固定，使泡沫銅圓筒被銅絲吊著。

（3） 在試管中倒入少量無水乙醇。把泡沫銅圓筒置于酒精燈上加熱至紅熱，然后插入試管中，觀察實驗現象。

3.4 實驗結果

紅熱的泡沫銅圓筒伸入試管乙醇上方后，觀察到泡沫銅圓筒自下而上由黑變紅，然后能保持紅熱。與螺旋狀的銅絲催化劑相比，泡沫銅催化劑更加穩定，成功率高，不易中途冷卻。這是因為銅催化氧化乙醇的反應實際上分為兩步［4］：銅被空氣中的氧氣氧化2Cu+O2△2CuO，然后氧化銅被乙醇蒸氣還原CH3CH2OH+CuO△CH3CHO+Cu+H2O。由此可見，實驗成功率提高的關鍵原因是泡沫銅與氣體（氧氣、乙醇蒸氣）充分接觸，而且泡沫銅的表面積非常大，能夠生成更多氧化銅。

4 泡沫鎳負載TiO2光催化分解甲醛

4.1 實驗改進思路

常用的除甲醛方法主要是用活性炭物理吸附，但這種方法對甲醛的吸附有限，且速率緩慢。科學家發現用TiO2等作為光催化劑，在紫外光照射下可以光解甲醛、甲苯等空氣中的有害物質，具有降解能力強、降解徹底的優點［5］。但是TiO2粉末如果直接彌散在空氣中將帶來新的粉塵污染，因此可利用泡沫鎳作為載體，不僅能與空氣充分接觸，還具有高透光率，便于紫外光均勻照射。

4.2 實驗材料

儀器：20W 390nm紫外燈、兩個500mL注射器（針筒長度22cm，直徑7cm）、乳膠管、直徑2cm的敞口塑料盒、鐵架臺、大號鐵夾、剪刀

藥品：甲醛檢測酚試劑（網購）、TiO2負載泡沫鎳（可直接網購，也可按文獻［6］方法自制：把2g黑色TiO2溶解于100mL乙醇中，超聲20min后浸漬于泡沫鎳上，最后80℃烘箱烘干24小時）、甲醛

4.3 實驗步驟

（1） 如圖4，剪一塊18×15cm的TiO2負載泡沫鎳，卷曲成圓筒狀后塞入注射器A內，然后把活塞安裝在注射器內。

（2） 把注射器A乳頭部位伸入甲醛試劑瓶中，吸取10mL甲醛蒸氣，與注射器內原有的空氣混合。

（3） 用紫外燈照射注射器A內的氣體1小時，發生催化反應。

（4） 在注射器B中放一個小塑料盒，內裝有甲醛檢測試劑，注射器活塞推到頂部。用乳膠管連接A和B兩個注射器，然后把注射器A中的氣體推入注射器B中（會把泡沫鎳壓縮成小塊）。

（5） 靜置20min，用標準比色卡比對甲醛檢測試劑的顏色，讀出甲醛濃度。

（6） 再做3次實驗作為對照（分別為去掉紫外燈照射、去掉泡沫鎳、既沒有泡沫鎳也沒用紫外燈照射），重復實驗，比較結果。

4.4 實驗結果

不同實驗條件下的甲醛檢測結果如表1所示。實驗4是未做處理的甲醛濃度，測得0.7mg/m3，當有紫外光照射和泡沫鎳催化（實驗1）時，甲醛濃度降低至0.08mg/m3，去除率高達88.6%。實驗2和實驗3分別檢驗了泡沫鎳和紫外光的必要性，結果證明了必須有泡沫鎳和紫外光同時存在才能起到最佳的催化效果。

本實驗直觀地展示了利用泡沫金屬負載光觸媒催化的條件和效果，而且該方法對烷烴、鹵代烴、苯系物、醇類、醛酮類和酯類等眾多揮發性有機化合物（VOCs）甚至磺基水楊酸等水污染物同樣適用。

5 接觸面積對反應速率的影響

5.1 實驗改進思路

泡沫金屬的比表面積是普通金屬的6～10倍，當金屬作為反應物時，可以大大增加反應物接觸面積，加快反應速率。因此，泡沫金屬可以用于探究接觸面積對反應速率的影響。

5.2 實驗材料

儀器：試管、10mL量筒、鑷子、剪刀、刻度尺

試劑：泡沫鋅片、普通鋅片（注：泡沫鋅片和普通鋅片厚度相同即可，本實驗選用0.5mm厚的兩種鋅片）、0.1mol/L稀硫酸

5.3 實驗步驟

（1） 把泡沫鋅片和普通鋅片剪成大小、形狀相同的邊長10mm的正方形。

（2） 在2個試管中分別倒入10mL 0.1mol/L稀硫酸。

（3） 在2個試管中分別加入裁剪好的泡沫鋅片和普通鋅片，觀察反應現象。

5.4 實驗結果

普通鋅片與稀硫酸反應速率較慢，在表面緩慢地生成一個個氣泡，由小變大，然后緩慢上浮，脫離普通鋅片的表面。泡沫鋅片與稀硫酸反應速率明顯更快，從內部產生密集的細小氣泡，相互碰撞著彌散開來，使泡沫鋅片周圍變成了白色，大量氣泡涌向上方。反應一會后觸摸放置泡沫鋅片的試管外壁發熱更明顯。

盡管本實驗所用的兩種鋅片的厚度、大小和形狀都相同（控制變量），但由于其表面積（反應物接觸面積）不同，反應速率存在差異。實驗結果直觀地證明，鋅與稀硫酸的接觸面積越大，反應速率越快。

6 結語

把新型材料“多孔泡沫金屬”用于中學化學實驗的嘗試，展示出泡沫金屬的巨大潛力和前景。如今，泡沫金屬的價格已經降低到實用的范圍，網購一片厚度1.7mm、邊長100mm的正方形泡沫鎳片價格僅6元。因此，可以利用泡沫金屬為材料，改進和設計更多的化學實驗。

參考文獻：

［1］尹文艷， 馬巍. 泡沫金屬及其復合材料性能的研究進展［J］. 山西冶金， 2023， 46（5）： 76～78，96.

［2］陳靜， 陳懿. 氫氧燃料電池演示實驗的改進［J］. 化學教學， 2022，（4）： 74～78.

［3］徐慧虹， 陳迪妹， 胡蔚娜等. 氫氧燃料電池實驗中塑料泡沫的使用［J］. 中學化學教學參考， 2015，（4）： 58～59.

［4］張婧， 牛晨， 韓秋霞等. 乙醇催化氧化實驗的改進［J］. 化學教學， 2019，（10）： 58～61.

［5］馬云飛， 陳宗家. 泡沫鎳負載改性TiO2降解甲醛［J］. 環境工程學報， 2014， 8（5）： 2040～2044.

［6］王娟， 李繼光， 施紅芳等. 黑色TiO2/泡沫鎳的制備及可見光催化室內甲醛的研究［J］. 廣東化工， 2020， 47（2）： 46～47，70.