鈉、鋁、鐵與氧氣反應的實驗探究及思考

邢泰宇

摘要：按人教版化學教材中鋁的燃燒、鐵的吸氧腐蝕等實驗步驟完成實驗，現象不夠明顯。本探究實驗從化學反應原理出發，以鈉、鋁、鐵與氧氣反應為例，通過增大反應物接觸面積、增大反應物濃度以及升高溫度等改進措施，促使化學反應速率加快，反應現象更明顯，便于學生觀察和理解，提高了教學效果。

關鍵詞：鈉、鋁、鐵與氧氣反應；實驗改進；實驗探究

文章編號：1005–6629（2015）8–0046–02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

宋心琦教授主編的人民教育出版社出版的化學教材《化學1》（必修）中加熱鋁箔的實驗[1]，因為鋁極易與氧氣反應，形成氧化膜保護了內層的鋁，使得鋁與氧氣的進一步反應難以進行，學生對比初中鐵在氧氣中燃燒的實驗，易形成鐵比鋁活潑的錯誤印象。《化學反應原理》（選修4）中鐵的吸氧腐蝕實驗[2]，由于試管中氧氣含量較少，反應速度較慢，在短時間內很難看到明顯現象，若教師在課堂演示會占用較長時間，影響教學效果。針對以上部分金屬與氧氣反應的速率較慢問題，本文從化學反應原理角度出發，以增大鋁、鐵等金屬的表面積，增加氧氣濃度，適當提高反應溫度等措施，改進教材中相關實驗。

1 扇風點火——鈉的燃燒

1.1 實驗用品

鈉；鑷子、玻璃片、濾紙、小刀、硬質玻璃管、酒精燈、鐵架臺、硬紙板

1.2 實驗過程

①將兩端開口的硬質玻璃管水平固定在鐵架臺上，如圖1所示。②用鑷子取出一小塊鈉，放在玻璃片上，用濾紙吸干表面的煤油，再用小刀迅速地切掉鈉表面的氧化層，取一小粒放入硬質玻璃管內。③點燃酒精燈并加熱硬質玻璃管，當看到鈉變成銀白色小球時，熄滅酒精燈，再用硬紙板對著硬質玻璃管管口扇風。

現象：熄滅酒精燈后，用硬紙板扇風，鈉劇烈燃燒，呈現黃色火焰，并且扇風的力度不同，黃色火焰的大小也不同，最后生成淡黃色固體。

解釋：對硬質玻璃管管口扇風，加快玻璃管內空氣流動，提高了鈉與氧氣反應的速率，使反應現象更劇烈。

1.3 實驗設計意圖

鈉的燃燒實驗速率本身較快，但相較于人教版《化學1》第47頁實驗3-2[3]，“扇風點火”的實驗設計可加深學生對鈉與氧氣反應的感性認識，同時又增強了實驗的趣味性。

2 鋁的燃燒

2.1 實驗用品

鋁粉；藥匙、濾紙、坩堝鉗、酒精燈、含氧氣的集氣瓶

2.2 實驗過程

實驗1：①用藥匙取鋁粉少許置于燃著的酒精燈上方，兩者要相隔適當距離。②用另一只手輕拍持藥匙的手的手腕，使極少量的鋁粉落在酒精燈的火焰上。

現象：酒精燈火焰變大，鋁粉劇烈燃燒，發出耀眼的白光。

解釋：鋁粉與空氣的接觸面積大，酒精燈外焰溫度高，鋁與空氣中氧氣劇烈反應。

實驗2：①先將鋁粉與適量的膠水混合，均勻涂在濾紙上，晾干備用。②再將晾干的濾紙剪成條狀，制成含鋁粉的濾紙條，如圖2所示。③用坩堝鉗夾取濾紙條，在酒精燈上點燃后伸入含氧氣的集氣瓶中。

現象：劇烈燃燒，發出耀眼的白光。

解釋：集氣瓶中氧氣濃度高，鋁粉與氧氣的接觸面積大，鋁與瓶中氧氣劇烈反應。

2.3 實驗設計意圖

鋁粉和濾紙是實驗室常規用品，只需簡單加工就能使用，并且增強了實驗效果；使用含鋁粉的濾紙條，相比人教版化學1第48頁實驗[4]，其實驗現象給學生感官刺激更強烈。

3 鐵的吸氧腐蝕

3.1 實驗用品

鐵粉、石蕊溶液、飽和食鹽水、H2O2溶液、MnO2；具支試管、自制細U型導管、止水夾等

3.2 實驗過程

①按圖3組裝好儀器[5]。關閉止水夾，向自制細U型導管中加入紫色石蕊溶液，至U型導管右端液面高于左端，觀察一段時間后兩端液面高度差保持不變，表明裝置氣密性良好。②將滴有飽和食鹽水的含鐵粉的濾紙條（制作方法與圖2所示一致）放入具支試管中。③打開止水夾，調節U型導管兩端液面相平，再關閉止水夾，觀察現象。④另取一支具支試管，收集一試管氧氣（可用H2O2溶液和MnO2反應制取），將滴有飽和食鹽水的含鐵粉的濾紙條放入具支試管中，組裝好儀器。⑤重復操作③，再觀察現象。⑥重復操作③可多次觀察現象。

現象：用空氣實驗，可看到U型管左端液面升高，右端液面下降，短時間內兩端有明顯液面差；用氧氣實驗，相同時間內U型管兩端液面差比前者大；幾分鐘后，兩實驗的濾紙條上都有紅褐色的物質產生，都說明了鐵吸氧腐蝕的發生。

解釋：鐵與試管中的氧氣發生了吸氧腐蝕反應，減小了試管內氣體壓強，大氣壓將U型導管右端的石蕊溶液壓到左端，形成液面差。

3.3 實驗設計意圖

使用自制的細U型導管及紫色石蕊溶液，相比人教版《化學反應原理》第85頁實驗[6]，液面的升降現象對比明顯，便于觀察。而且只需要打開止水夾調節液面重新相平，便可多次重復實驗，實用性強；用氧氣和空氣做對比實驗，液面差變化快慢和高低不一樣，充分說明氧氣參與了電極反應；鐵粉表面積大，增大了鐵與氧氣的接觸面積，氧氣濃度的增大，均加快了鐵吸氧腐蝕的速率，實驗可在短時間內完成。

以上幾個改進實驗中，將金屬箔片等制成粉末狀，增大了金屬與氧氣的接觸面積；加快空氣對流或直接增加氧氣的濃度，增加了單位體積內活化分子的數目[7]；升高溫度，加快了反應物分子的運動，同時增加了活化分子的百分數[8]。這些措施都在一定程度上增加了單位時間、單位體積內反應物分子的有效碰撞的頻率[9]，導致反應速率加快。

綜上所述，利用身邊廉價易得材料，應用化學知識，對教材實驗做合理改進，在滿足實驗的準確性和安全性的同時，又提高了實驗的效率和趣味性，是一種不錯的嘗試。

參考文獻：

[1][3][4]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）（第三版）[M].北京：人民教育出版社，2007：47～48.

[2][6]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理（選修4）（第三版）[M].北京：人民教育出版社，2007：85.

[5]孫旭.新課程高中化學實驗全解[M].武漢：湖北教育出版社，2014：158～160.

[7][8][9]曹錫章等.無機化學（上冊）（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1994：287～295.