鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的微量化設(shè)計(jì)

張址欣+冉鳴

摘要：現(xiàn)行教材設(shè)計(jì)的鋁熱反應(yīng)課堂演示實(shí)驗(yàn)存在諸多弊端，其中安全隱患和不便觀察是主要問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)該實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)裝置、點(diǎn)燃劑，尤其是反應(yīng)試劑的用量配比和微量化進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，使其達(dá)到了課堂演示實(shí)驗(yàn)對(duì)反應(yīng)現(xiàn)象的要求，方便了操作，防止了環(huán)境污染。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)化；鋁熱反應(yīng)；微量化實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1005–6629（2017）10–0064–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 研究背景

鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)作為高中重要實(shí)驗(yàn)之一[1]，因其涉及眾多化學(xué)核心知識(shí)，所以經(jīng)常作為教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)。根據(jù)中學(xué)化學(xué)教科書中的實(shí)驗(yàn)方案（如人教版[2]，魯科版[3]）進(jìn)行演示，其起火發(fā)光的現(xiàn)象雖然明顯，且具觀賞性，但也存在一些問(wèn)題：（1）鎂條燃燒時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)光對(duì)眼睛有傷害，并干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察；（2）鎂條點(diǎn)燃后，溫度極高，插入反應(yīng)物中使得反應(yīng)劇烈，火星四射、熔化物飛濺，這對(duì)實(shí)驗(yàn)操作者存在嚴(yán)重安全隱患。基于此，現(xiàn)在很少有教師在課堂中演示該實(shí)驗(yàn)，一般通過(guò)播放視頻來(lái)講解實(shí)驗(yàn)原理。

近幾年已有許多學(xué)者對(duì)該演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，但其中有些方案仍然存在不少問(wèn)題，比如：（1）將實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)得更復(fù)雜或者實(shí)驗(yàn)器材不易找尋[4]；（2）實(shí)驗(yàn)試劑用量大，反應(yīng)過(guò)于劇烈存在安全隱患[5]；（3）實(shí)驗(yàn)試劑配制過(guò)于復(fù)雜，不利于實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備[6]。此外還有一些文獻(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)用品的劑量報(bào)道不詳，使得重復(fù)該實(shí)驗(yàn)方案時(shí)達(dá)不到預(yù)期效果[7，8]。為了達(dá)成鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的課堂演示目標(biāo)，有必要對(duì)其再進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的最顯著之處是大幅降低了實(shí)驗(yàn)試劑的用量（一次實(shí)驗(yàn)耗鋁粉量和氧化鐵量總共僅0.1克），使之成為“微量化實(shí)驗(yàn)”?！拔⒘炕瘜?shí)驗(yàn)是以微小量的試劑在較常規(guī)的儀器裝置中進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象依然足夠明顯。即微量化實(shí)驗(yàn)就是在保證試劑用量少、污染少、省時(shí)間、易操作的同時(shí)，仍使用常規(guī)儀器、裝置，仍能達(dá)到常規(guī)演示實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度”[9]。使得本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)在安全性、可觀察性以及反應(yīng)時(shí)間的可控性方面滿足課堂演示實(shí)驗(yàn)的要求。

2 實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全性、可操作性和便于觀察三個(gè)方面的功能，同時(shí)兼顧實(shí)驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)潔性與易得性，優(yōu)化的鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

取高度為3cm左右的易拉罐底部殼體（以下簡(jiǎn)稱易拉罐），用以取代傳統(tǒng)反應(yīng)裝置中的濾紙和漏斗，在其上方2.5cm左右倒扣一個(gè)玻璃漏斗。此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：防止反應(yīng)物飛濺又兼顧現(xiàn)象觀察，并且不影響實(shí)驗(yàn)中的點(diǎn)火操作。此外，易拉罐又可反復(fù)使用，便于重復(fù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)之后，實(shí)驗(yàn)安全可控，現(xiàn)象明顯易于觀察，反應(yīng)產(chǎn)物鐵珠收集方便（傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在沙粒中尋找）。

2.2 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)燃方式優(yōu)化

化學(xué)課堂演示實(shí)驗(yàn)有時(shí)間的限制，本實(shí)驗(yàn)在優(yōu)化中進(jìn)行了一列驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用棉花蘸無(wú)水乙醇作為點(diǎn)燃劑的方法最優(yōu)，因充分浸潤(rùn)無(wú)水乙醇的棉花球燃燒時(shí)，能夠放出大量的熱，可在較短時(shí)間（10s左右）引發(fā)鋁熱反應(yīng)。

2.3 實(shí)驗(yàn)試劑量微量化

基于課堂演示實(shí)驗(yàn)的安全性、可觀察、時(shí)間可控性和反應(yīng)試劑的節(jié)約性原則，筆者做了一系列對(duì)照實(shí)驗(yàn)，選取幾個(gè)有代表性的配方列于表1。

實(shí)驗(yàn)表明，序號(hào)2反應(yīng)速率較慢，序號(hào)3反應(yīng)速率較快，不易于過(guò)程觀察，序號(hào)4反應(yīng)速率快且溫和，沒(méi)有太強(qiáng)的刺激。選序號(hào)1的用量作為課堂演示實(shí)驗(yàn)的方案為最優(yōu)，該方案試劑用量少，反應(yīng)時(shí)間適中，火花四濺較少，反應(yīng)劇烈程度適中，安全性高，同時(shí)又不影響觀賞性。

3 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

3.1 實(shí)驗(yàn)用品

儀器：帶鐵圈和鐵夾的鐵架臺(tái)、易拉罐、坩堝鉗、玻璃漏斗、濕棉布、托盤天平、磁鐵、藥匙、棉花、紙片、酒精燈

藥品：無(wú)水乙醇、鋁粉、氧化鐵（Fe2O3）粉末、氯酸鉀粉末（藥品均出自成都市科龍化工試劑廠）

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1）按照?qǐng)D1的裝置圖安裝好實(shí)驗(yàn)儀器。將易拉罐底部殼體放置于鐵圈上，在其底部平鋪一層棉花，上面放置混合均勻的鋁粉、氧化鐵粉末和氯酸鉀粉末的薄紙片包，試劑的混合比例為表1中的序號(hào)1所示。

（2）鐵夾上夾一個(gè)倒扣的用棉布?jí)|著的玻璃漏斗，使玻璃漏斗下端與易拉罐間距大約2～2.3cm（以實(shí)驗(yàn)者放引燃劑方便為準(zhǔn)）。

（3）先點(diǎn)燃酒精燈，用坩堝鉗夾起一塊無(wú)水乙醇完全浸潤(rùn)的小棉花團(tuán)，在酒精燈上點(diǎn)燃，迅速放入易拉罐中紙包的上方，引燃反應(yīng)物。

（4）約10秒左右，可觀察到如圖2所示的反應(yīng)現(xiàn)象，反應(yīng)劇烈并伴有火花四濺的鋁熱反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程27秒左右。待易拉罐冷卻后，夾出易拉罐，用磁鐵接近易拉罐內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)磁鐵吸引一些細(xì)小的鐵珠，說(shuō)明鋁熱反應(yīng)生成了單質(zhì)鐵。

4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）實(shí)驗(yàn)中易拉罐選取高度適中（大約3cm左右），太高會(huì)影響觀察，太低影響實(shí)驗(yàn)用品的放置。

（2）易拉罐上端與漏斗末端間隔適中，過(guò)小會(huì)影響棉球放入，過(guò)大不能防止火花濺出，存在安全隱患。

（3）鋁熱劑與氯酸鉀一定要混合均勻，用薄紙片緊密包裹，否則影響反應(yīng)時(shí)間和效果。

（4）圖1裝置中可使用較濕潤(rùn)的棉布，防止實(shí)驗(yàn)溫度過(guò)高，點(diǎn)燃棉布。同時(shí)，作為引燃的棉花球不宜太大，太大會(huì)出現(xiàn)鋁熱反應(yīng)完畢后，棉花球未燃燒完全，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，并造成空氣污染（實(shí)際操作中若棉花未燃燒完全，可用坩堝鉗取出易拉罐，用濕棉布蓋上將其撲滅）。

（5）此實(shí)驗(yàn)雖大大提高了鋁熱反應(yīng)安全性，為了以防萬(wàn)一，建議觀察距離至少1米以上。

5 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)選取無(wú)水乙醇做引燃劑，避免了鎂條引燃的弊端。

（2）確定了助燃劑氯酸鉀的最佳量，使實(shí)驗(yàn)在合適時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)最佳效果。

（3）避免因?yàn)V紙的遮擋以及反應(yīng)太快而觀察不清晰的情況出現(xiàn)。

（4）找到了鋁粉與氧化鐵粉末最佳比例，在不影響實(shí)驗(yàn)安全性和觀賞性的前提下，減少了試劑用量，也降低了對(duì)教室空氣質(zhì)量的過(guò)度影響。

（5）用易拉罐代替濾紙，做到了廢物利用，減少環(huán)境污染，此外清洗后的易拉罐可以反復(fù)使用。

參考文獻(xiàn)：

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