鋁與熔融氫氧化鈉反應的實驗探究

房壽高

摘要：對金屬鋁和熔融氫氧化鈉不反應的觀點提出了質疑。通過7組鋁粉和氫氧化鈉嘗試性的實驗探究，結果發(fā)現(xiàn)鋁和熔融氫氧化鈉能發(fā)生反應并產生氫氣，得出水不是鋁和氫氧化鈉反應的必要條件，并在研究結論的基礎上對鋁和堿反應的教材編寫提出了一些建議。

關鍵詞：鋁；熔融氫氧化鈉；鋁與堿反應；實驗探究

文章編號：1005－6629(2013)7－0050－03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1問題的提出

在蘇教版高中化學必修1專題3第一單元學習鋁的性質相關知識時，一些教師做了這樣的實驗：在試管里裝入1～2g NaOH固體與一些鋁箔，加熱至熔化，經(jīng)觀察沒有氣體產生。鋁和氫氧化鈉固體在加熱熔化條件下能發(fā)生反應嗎?筆者嘗試用鋁粉和氫氧化鈉固體進行了一系列實驗，以探究鋁和氫氧化鈉在無水的情況下能否發(fā)生反應。

2實驗過程

2.1實驗1

本實驗裝置見圖1。具體操作及實驗現(xiàn)象是：將鋁粉和氫氧化鈉固體各取3藥匙，放在大試管里，為了盡量避免氫氧化鈉固體吸收空氣中的水分，在混合時，試管口先用橡皮塞塞上，然后振蕩使兩者充分混合。當加熱時再取走橡皮塞。點燃酒精燈，當完全熔化后，從側面看，很難看清楚氣泡的產生情況，因為試管壁呈現(xiàn)銀灰色，如同“銀鏡”。過了1～2分鐘，用燃著的火柴放在試管口檢驗，沒有出現(xiàn)爆鳴聲。移走酒精燈后從試管口往試管底部看(戴護目鏡)，發(fā)現(xiàn)熔融的混合液表面有少量氣泡。筆者不能肯定這些氣泡是否是氫氣，因為液體沸騰時也會產生類似現(xiàn)象。

2.2實驗2

另取一支潔凈干燥的大試管，將鋁粉和氫氧化鈉固體各3藥匙放入其中并混合均勻，用排水集氣法收集所產生的氣體，裝置見圖2。筆者按照收集氣體的慣用做法：先排一會兒氣體，待氣泡均勻連續(xù)地放出時再收集。結果發(fā)現(xiàn)，開始的幾秒鐘，快速地產生大量氣體，還沒等筆者反應過來，氣體變得很緩慢。錯過了收集最初氣體的時機，只好把緩慢放出的氣體收集起來，移近酒精燈火焰，幾乎聽不到爆鳴聲或“噗”的聲音。由于后來氣泡產生很緩慢，筆者自認為沒有收集的價值，所以，沒有繼續(xù)收集氣體就結束了實驗。

2.3實驗3

另取一支潔凈干燥的大試管，將鋁粉和氫氧化鈉固體各3藥匙放入其中，充分混合均勻，裝置見圖2。為了盡量減少試管中空氣的干擾，先在固體混合物的上部緩緩均勻加熱，把試管中的空氣排掉一部分。為了防止出現(xiàn)實驗2中快速產生的氣體來不及收集的問題，筆者先把導管口伸到集滿水的試管里，考慮到這樣做并不影響氫氣的檢驗。當加熱時，把快速產生的氣體收集好之后移近酒精燈火焰，聽到了尖銳的爆鳴聲，說明產生了氫氣。第三次實驗終于檢測到氫氣的產生，但并不能證明在無水的條件下鋁和氫氧化鈉能反應，因為沒有排除掉固體中潮濕氣可能對本實驗的影響。

2.4實驗4

在清洗前3次實驗的試管時，發(fā)現(xiàn)加幾滴水時，反應很劇烈，試管壁很燙。第二次實驗的試管清洗時，用量程為100℃的溫度計測量溫度，結果發(fā)現(xiàn)很快超過了100℃的量程。第三次實驗的試管清洗時，筆者用量程為300℃的水銀溫度計，結果發(fā)現(xiàn)溫度很快達到了170℃左右。為什么加了幾滴水反應如此迅速?從文獻得知“水是鋁和氫氧化鈉反應的催化劑”。

2.5實驗5

既然水能催化鋁和氫氧化鈉的反應，則固體中的少量“潮濕氣”也能催化該反應的速率。筆者把實驗1重做了一遍，把兩者的混合物放入另一支大試管里，振蕩使它們充分混合，然后把混合物上部的試管充分預熱，這樣既能使試管均勻預熱，防止試管炸裂，又能趕走試管里的空氣。幾秒鐘后當試管口出現(xiàn)“嘶嘶”的響聲時，用燃著的火柴放在試管口，發(fā)現(xiàn)氣體燃燒起來，見圖3。

2.6實驗

為了探究在無水的情況下熔融的NaOH能否與Al粉反應，進行了第6次實驗。為了排除氫氧化鈉固體和鋁粉中的潮濕氣對反應的影響，筆者先把3藥匙(約4.4g)氫氧化鈉固體放在一支新取的干燥的大試管中，加熱至熔化，并使上部的因潮濕氣產生的水盡可能加熱蒸發(fā)掉，然后給試管中部加熱以防止空氣中的水蒸氣進入，直到因潮濕氣產生的水全部蒸發(fā)掉以后，移走酒精燈，用橡皮塞塞緊試管口。接著把3藥匙(約6.0g)鋁粉放在另一支干燥的試管中小火加熱烘干，也等因潮濕氣產生的水全部蒸發(fā)掉以后，用橡皮塞塞緊管口，冷卻。然后把該鋁粉用紙槽快速地送入盛有氫氧化鈉的試管底部，取下試管并用橡皮塞塞緊試管口，振蕩試管使鋁粉盡可能平鋪在氫氧化鈉的表面。預先把收集氫氣的試管盛滿水倒放在導氣管吐，準備收集。點燃酒精燈，此時產生的氣體較連續(xù)而且均勻(基本1秒鐘產生1個氣泡)，裝置見圖2。將收集的氣體移近酒精燈火焰，出現(xiàn)了尖銳的爆鳴聲。筆者連續(xù)收集了約14支試管(內徑14mm，長度15cm)，經(jīng)檢驗都出現(xiàn)了輕微的爆鳴聲或“噗”的聲音。而且在實驗過程中還收獲了意外驚喜：檢驗過氫氣之后，把試管放到水槽中注入水時，當試管中的水接近滿時，發(fā)現(xiàn)試管口有氣體在燃燒，見圖4。這可以很好地說明檢驗氫氣的純度時，如果經(jīng)檢驗不純，再用向下排空氣法收集氫氣時要先用拇指在試管口堵一會兒再去收集，因為試管里還可能有殘余氫氣在燃燒。

2.7實驗7

借助DIS的氫氣傳感器，筆者做了第7次實驗。本實驗藥品用量和除潮濕氣的方法與實驗6相同。把已干燥并已冷卻至室溫的鋁粉加入到已除潮濕氣并已凝固的氫氧化鈉中時(冷卻至室溫)，把氫氣傳感器放在試管口，見圖5(沒有密封)。開始給混合物加熱，結果發(fā)現(xiàn)，H₂的體積分數(shù)很快從0升高到100％達最大量程。當把氫氣傳感器移開，H₂的體積分數(shù)很快又從100％下降到0，然后又放在試管口，H₂的體積分數(shù)又很快從0升高到100％。如此重復，可維持較長時間，見圖6(部分時段)。

3實驗的結論與分析

由實驗6和7可知，鋁和氫氧化鈉固體在沒有水的情況下，加熱至熔化狀態(tài)時是能產生氫氣的，但速率相對緩和，如果直接用燃著的火柴放在試管口檢驗，有時較難檢測到氫氣的生成，但用排水集氣法收集或借助氫氣傳感器是能檢測到氫氣的。對于沒有干燥的鋁粉和氫氧化鈉固體由于存在潮濕氣，受熱時開始的幾秒鐘內就能很快放出氫氣，如果檢驗的操作稍微慢了點或過了1～2分鐘再用燃燒著的火柴放在試管口去檢驗，也很難檢驗到氫氣的生成，如實驗2。

為什么很多人傾向于認為鋁和熔融氫氧化鈉不反應呢?因為他們認為如果能反應，反應物為Al和NaOH，生成物為NaAlO₂和H₂，而“Al+NaOH→NaAlO₂+H₂↑”是不能被配平的。筆者認為，上面反應式確實是配不平的，但是產物的化學式是否一定寫成NaAlO₂或Na[A](OH)₄]有待進一步研究。維基百科(英文)和有些學者認為含鋁產物為鋁酸鈉，其化學式為Na₃AlO₃，并給出反應的化學方程式：2Al+6NaOH→3H₂+2Na₃AlO₃。有的學者利用氫氧化鈉與鋁土礦粉為原料生產出液態(tài)鋁酸鈉。還有一些學者認為含鋁的產物非常復雜，在高溫下可能存在二聚離子[Al₂O(OH)₆]^2－等。盡管產物的化學式存在爭議，但不能改變金屬鋁和熔融氫氧化鈉反應的事實。著名化學家傅鷹說的好，化學是實驗的科學，只有實驗才是“最高法庭”。

4實驗探究的幾點啟示

本次實驗探究使筆者獲得幾點啟示。啟示之一，“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，對一些化學實驗結論，不能人云亦云，一定要親自動手實驗。啟示之二，實驗方案的設計要合理、科學，不能想當然，避免主觀性和隨意性；實驗儀器的精密度在條件允許的情況下盡可能高些，像實驗7中氫氣傳感器的使用，很容易檢測到氫氣的生成。啟示之三，鑒于鋁和氫氧化鈉在無水存在的情況下也能發(fā)生反應，水只是鋁和氫氧化鈉反應的催化劑，由于催化劑一般不作為反應物出現(xiàn)在方程式中，只作為條件來注明，以及鋁和氫氧化鈉反應生成的含鋁產物結構的復雜性和不確定性，筆者建議教材最好不要出現(xiàn)鋁和氫氧化鈉溶液反應的化學方程式，讓學生知道鋁不僅與酸反應還能與堿反應即可，因為畢竟其含鋁產物的結構還沒有完全搞清楚。正如劉懷樂老師所說的“有時大家認為很簡單的問題，其實并不簡單；有時大家認為已完全解決了的問題，實際并未完全解決”。科學需要嚴密，我們應該尊重事實，忌把復雜問題簡單化。