葉永謙 張賢金 吳新建

鋁與純水反應演示裝置的再設(shè)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(shè)計，使實驗更加直觀、簡約、無害。通過對現(xiàn)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(shè)計；探究

鋁作為一種活潑金屬，具有與水反應的性質(zhì)。中學演示鋁與水反應的實驗都是在堿性環(huán)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(shè)計出鋁與水在中性條件下反應的演示裝置［1］。然而，以上設(shè)計還存在幾個不足之處：一是步驟過于繁雜：該設(shè)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(jié)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(huán)境是一種突破，但如果能設(shè)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(huán)保：該設(shè)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(zhì)均有毒，可能造成環(huán)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(xiàn)象明顯。在綠色環(huán)保方面：從節(jié)約藥品的角度，就筒形分液漏斗的規(guī)格、氯化汞的濃度、鋁條的大小再調(diào)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(diào)整

1．筒形分液漏斗規(guī)格的確定

為了實現(xiàn)簡約化和無害化，本實驗將筒形分液漏斗的規(guī)格由1000mL調(diào)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(jīng)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(xiàn)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(chǎn)生的白色渾濁很快轉(zhuǎn)為灰色，影響產(chǎn)物的觀察。

3．鋁條大小和數(shù)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(guī)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(jié)約演示時間，必須使用一定數(shù)量的鋁箔反應，才可以較短時間內(nèi)觀察到明顯現(xiàn)象，合理數(shù)量一般在20條左右。

二、實驗步驟與現(xiàn)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(guān)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(zhì)（圖3）。實踐發(fā)現(xiàn)，5%的氯化汞溶液與鋁條反應，一般不會出現(xiàn)汞單質(zhì)直接流出的情況。

圖3 大燒杯中加硫粉處理汞單質(zhì)

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(xiàn)象（圖4），證明已經(jīng)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(jīng)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(guān)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(guān)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(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhì)存在，本實驗使用硫粉進行處理，使之轉(zhuǎn)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(shè)計方案，不但節(jié)約藥品、操作簡單、現(xiàn)象明顯、綠色環(huán)保，還節(jié)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(xiàn)了奇怪的現(xiàn)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(lián)系前述反應中，不管鋁條與蒸餾水反應，溶液中總是先出現(xiàn)白色渾濁，一段時間后渾濁變?yōu)榛疑?。白色沉淀是氫氧化鋁，而使其變?yōu)榛疑脑驊摼褪沁@種灰黑色沉積物。為了探究灰黑色物質(zhì)的成分，本實驗做如下設(shè)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(xiàn)象（圖13）。由此可以判斷，灰黑色物質(zhì)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(jié)果。

圖13 用燃燒著的木條靠近氣泡無明顯現(xiàn)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(shè)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?yōu)楹谏▓D14）。再加入冷水，鋁條表面的黑色物質(zhì)不見了，又變?yōu)殂y白色，反應劇烈進行（圖15）。

圖15 鋁箔表面又變?yōu)殂y白色

圖16反應后鋁箔露置在空氣中

根據(jù)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(jié)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(chǎn)生的氣泡燃燒及爆鳴聲，證明產(chǎn)生的氣體是氫氣。筒形分液漏斗液體中出現(xiàn)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(xiàn)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(shè)計［J］．化學教學，2015，（2）：62－63

［2］荊入德．鋁與水反應實驗的設(shè)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

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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(fā)展研究”（課題編號：JAS14360）的研究成果之一。

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