鋁熱反應的實驗改進

摘要:在分析了傳統(tǒng)鋁熱反應演示過程中的不足后，結(jié)合實踐，對該實驗的裝置和引燃方法進行了改進。

關鍵詞: 鋁熱反應;實驗改進

文章編號:1005-6629(2010)09-0003-02 中圖分類號:G633.8 文獻標識碼:C

鋁熱反應的演示實驗是高中化學課堂教學必做的實驗，通常作為鋁元素的重要化學性質(zhì)之一而引出。由于實驗現(xiàn)象極為激動人心，使其成為為數(shù)不多的能給學生留下深刻印象的化學實驗之一。一般采用濾紙漏斗作為容器的方法進行操作，裝置如圖1所示。然而，該實驗在完成過程中常會遇到以下問題而無法得到應有的效果: (1) 鎂條不易點燃，需用酒精燈或打火機點燃，存在安全隱患。即使點燃，因鎂條燃燒產(chǎn)生的耀眼白光，易造成學生暫時的視覺損傷而難以清楚觀察到反應的后續(xù)現(xiàn)象;(2)用兩層濾紙漏斗作容器，盡管濾紙被潤濕過，但往往因為無法承受高溫的灼燒，造成濾紙被引燃，藥品散落，導致反應不完全;(3)紙漏斗開口較大，噴濺出來的鐵水存在一定的安全隱患，也容易對實驗操作臺面造成損害;(4)由于濾紙的遮擋，使坐在低處的學生只能看到類似燃放煙火的效果，很難全面看到反應真實的狀態(tài)，特別是因為無法觀察到有液態(tài)的鐵水生成，而對實驗所產(chǎn)生的高溫缺乏足夠的感性認識，看似成功的實驗卻留下不少遺憾。

筆者經(jīng)過反復試驗，針對以上不足，做了具有創(chuàng)新意義的改進。不僅操作簡便、成功率大大提高，而且收到了很好的實驗效果。具體改進如下:

1 實驗改進

首先，對實驗裝置作了改進。用測定熔點的b形熔點測定管替代濾紙漏斗，裝置如圖2所示。熔點測定管盡管不是高中化學必備的實驗器材，但屬于常見的玻璃儀器，市售的價格在5～6元/只，材質(zhì)通常為硬質(zhì)玻璃，耐熱性能較好。

其次，對引燃方法作了改進。在實踐中發(fā)現(xiàn)高錳酸鉀和甘油等有機物發(fā)生劇烈反應時也能產(chǎn)生足夠的溫度并將鋁熱劑引燃，如果在高錳酸鉀中加入適量鎂粉的話，則可以進一步提高點燃的成功率。

2實驗用品

鐵架臺帶鐵夾，b型熔點測定管(簡稱b形管)，蒸發(fā)皿， 小紙片， 鋁熱劑(Fe2O3、Al粉)， 細砂，引燃劑(KMnO4、 Mg粉)， 甘油。

3實驗步驟

(1)實驗前將Fe2O3和鋁粉按質(zhì)量比5∶2的比例混合均勻，配置成鋁熱劑。

(2)如圖2所示組建裝置。

(3)準備一張長條形紙片，長度和熔點測定管的高度相當，寬約2cm。將紙片插入到b形管底部，緊貼上下兩個支管口，作用是防止裝入的細砂和藥品滑入支管。

(4)分別在蒸發(fā)皿和b形管中填入細砂。b形管中的細砂填充至上端支管口附近，細砂略向下傾斜，便于反應生成的鐵水從支管口流出。

(5)在b形管中裝入混合好的鋁熱劑，一邊填充一邊壓實，一直裝到b形管口。

(6)在裝好的鋁熱劑上方撒上引燃劑，將引燃劑堆成錐形，并在錐形頂部壓一小凹坑，便于滴加甘油。

(7)在引燃劑上滴加4～5滴甘油，等待15秒鐘左右反應開始。

4注意事項

(1)配置鋁熱劑時，由于Fe2O3粉體易吸濕，配置前需烘干。鋁粉可以選擇顆粒稍細的，在200目以上的效果較好。Fe2O3與鋁粉的混合必須均勻，防止結(jié)塊。

(2)引燃劑的配置可以根據(jù)需要，將KMnO4和Mg粉按一定的比例混合即可，根據(jù)筆者的經(jīng)驗，按照質(zhì)量比5∶1的比例混合，引燃的成功率很高。

(3)甘油的黏度較大，冬天溫度較低時更甚，為了方便使用可加入少量水或稍微加熱以降低黏稠度，便于滴加后它能快速滲入到引燃劑中引發(fā)反應。當環(huán)境溫度較低時引燃的時間會稍長，但一般不超過30秒。

(4)在熔點測定管中填裝鋁熱劑時要注意將鋁熱劑壓實，盡量減少空隙，否則，反應中會有少量反應熔融物濺出。

(5)蒸發(fā)皿只是為了以防萬一備用，并不會有鐵水滴落。正常情況下，流經(jīng)支管的鐵水還未將玻璃熔穿就已經(jīng)冷卻凝固了。

5實驗優(yōu)點

(1)良好的實驗效果

本實驗的最大突破是利用了b形管的特殊構造，讓觀察者能觀察到有流動的鐵水生成，而不是以往落入砂子已經(jīng)凝固的鐵珠，這樣教師的教學就更有說服力了。

(2)較高的安全性

由于鋁熱反應只有固體物質(zhì)生成，盡管產(chǎn)生極高的溫度，但不會發(fā)生爆炸。按如上方法將熔點測定管填裝滿所需的鋁熱劑大約21 g，產(chǎn)生的熱量約80 kJ，總體熱量不多。制作熔點測定管的硬質(zhì)玻璃在700 °C左右軟化，但受到重力作用，鋁熱反應自上而下進行，熔融鐵水與玻璃的接觸時間很短，被軟化的玻璃立刻在空氣中冷卻變硬。通過反復實驗發(fā)現(xiàn)，將鋁熱劑置于試管或熔點測定管等玻璃容器中反應，不但不會出現(xiàn)玻璃爆裂的現(xiàn)象，而且由于開口較小且填裝緊實，相比于濾紙漏斗，火星噴射的距離更小，實驗更加安全。同時，改進的引燃方法可以給實驗操作者有足夠的時間退到安全的距離。

(3)操作簡便和高成功率

以往實驗中用鎂條作引燃劑，引燃后鎂帶燃燒產(chǎn)生的強光常會干擾對實驗本身現(xiàn)象的觀察，時常還會遇到鎂條不易引燃的情況。在使用KMnO4和鎂粉的混合引燃劑后無需用明火點燃，只要用甘油即可達到同樣的效果。甘油與KMnO4可以發(fā)生劇烈的氧化還原反應放出大量的熱，從而使鎂粉燃燒，鎂粉燃燒產(chǎn)生的高溫進而將鋁熱劑引燃。該方法的引燃成功率幾近100%。

(4)成本低而環(huán)保

熔點測定管的價格和蒸發(fā)皿相當，且玻璃可以回收，因此，并不會額外增加實驗成本。此外，可以用損壞的蒸餾燒瓶等具有支管的玻璃儀器來替代熔點測定管，可以達到廢物利用的目的。實驗完成后可用小磁鐵或磁針檢驗凝結(jié)在支管處的鐵塊。