鋁與氫氧化鈉溶液反應實驗再設計

葉小慈 謝永榮

摘要： 要讓學生理解和掌握鋁與氫氧化鈉溶液反應的實質，實驗是重要的途徑。

設計了兩個改進實驗：

一是用熱的無水乙醇溶解氫氧化鈉以加大堿的濃度，加快產生氫氣的速率，采用排液的方式收集純凈氫氣，通過加水前后反應現象的對比，掌握反應的實質;二是使用注射器實現鋁的去膜、與水反應、氣體檢驗一體化，體現反應實質。兩個實驗都能產生明顯的實驗教學效果，較好地體現了化學學科核心素養要求。

關鍵詞： 鋁; 氫氧化鈉溶液; 反應實質; 鋁的去膜; 實驗改進

文章編號： 10056629（2020）05005904

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

人教版教材《化學1（必修）》第三章“金屬的化學性質”中的“鋁與氫氧化鈉溶液反應”實驗34“在2支小試管里分別加入5mL鹽酸和5mL NaOH溶液，再分別放入一小段鋁片，觀察實驗現象，過一段時間后，將點燃的木條分別放在2支試管口，你看到什么現象？”[1]。教材中描述： 通過實驗我們看到，鋁既能與鹽酸反應，又能與NaOH溶液反應，反應都放出一種可燃性氣體氫氣。鋁與氫氧化鈉溶液反應的化學方程式為：

實際上，按照教材的實驗設計操作，存在下列三個不足： （1）反應產生的氫氣無法燃燒，不能看見火焰;（2）產生的氫氣未經驗純步驟就點燃，往往會產生爆鳴聲，存在安全隱患;（3）反應現象不能使學生認識到鋁與氫氧化鈉溶液的反應實質是鋁與水的反應。本文通過查閱相關化學文獻，比較其中兩個有代表性的改進實驗。在此基礎上又重新設計了兩個新的適合課堂演示和學生操作的實驗。這兩個實驗均能順利地點燃氫氣，清晰地看見氫氣安靜地燃燒，同時還能充分展現鋁與水反應的實質。

1 對兩個代表性改進實驗的對比分析

關于鋁與氫氧化鈉溶液反應的改進實驗有很多文獻報道，現選取比較有代表性的兩個實驗進行對比分析，詳見表1。

2 鋁與氫氧化鈉溶液反應實驗的再設計

鑒于對以上兩種實驗的對比分析和對鋁的性質的探究，重新設計了兩個改進實驗，經過多次反復實驗驗證，均取得較好的實驗效果。

2.1 實驗一

實驗用品與實驗裝置：

具支試管、橡膠塞、燒杯、玻璃棒、尖嘴玻璃管、橡膠管、火柴、直通活塞、滴管;無水乙醇、NaOH固體、鋁絲、蒸餾水。實驗裝置如圖1所示。

實驗步驟與現象：

（1） 在100mL的燒杯中加入30mL無水乙醇和1.5g氫氧化鈉，用60～70℃水浴加熱，使固體氫氧化鈉溶解，制成熱的飽和氫氧化鈉乙醇溶液。

（2） 具支試管的支管接上直通活塞和尖嘴玻璃管，活塞1處于關閉狀態，試管中放入適量鋁絲，加入上述配置好的30mL熱的飽和氫氧化鈉乙醇溶液，觀察鋁絲在氫氧化鈉乙醇溶液中不發生反應。

（3） 從具支試管上口通過漏斗加蒸餾水至接近上管口，塞好帶長頸分液漏斗的橡膠塞，分液漏斗的活塞2打開著。鋁絲表面很快有氣泡產生，產生的氣體將試管內溶液壓至分液漏斗，當試管內液面降至支管口以下時，關閉分液漏斗的活塞2，打開支管直通活塞1（見圖1），氣體從尖嘴玻璃管排出。

（4） 點燃尖嘴玻璃管口排出的氣體，可見明顯的藍色火焰。

注意事項：

（1） 具支試管里的溶液要接近裝滿，以減少管內的空氣，以盡快獲得純凈氫氣。

（2） 液面降至支管口以下，仍需過一段時間，讓試管里少量的空氣排凈后，尖嘴玻璃管才能點燃。

（3） 無水乙醇吸濕性大，不能選用開封太久的無水乙醇。

設計優點：

（1） 采用排液的方式收集氫氣，確保產生純凈的氫氣，增加實驗的安全性。

（2） 用熱的無水乙醇溶解氫氧化鈉固體可增大NaOH溶液的濃度，促進反應的進行，提高氫氣的產生量使其能夠燃燒，增強了實驗的直觀性。

2.2 實驗二

防止鋁再次被氧化的方法大致有兩種： （1）氯化鈉溶液有助于鋁片快速和水反應[4];（2）汞鹽與鋁生成的鋁汞齊能阻止鋁的氧化膜再生[5]。由于汞鹽的毒性大不宜采用，本實驗選用1%的氯化鈉溶液，并采用注射器作為反應裝置。操作步驟如圖2所示。

實驗用品： 鋁條、4mol/L HCl溶液、1% NaCl溶液、2mol/L NaOH溶液、小燒杯、帶針頭的30mL注射器、肥皂水、酒精燈

實驗操作與實驗現象：

（1） 將鋁條剪成細條狀后用筆芯卷成5～6匝的鋁圈，拔出注射器活塞芯桿，將鋁圈放入。裝上活塞芯桿推至貼近鋁圈，見圖2①。

（2） 從小燒杯中緩緩吸入HCl溶液5mL，見圖2②。調整注射器角度，待鋁圈有較多氣泡冒出時，即可認為去膜完成。此時可用肥皂水檢驗氣體，見圖2③。

（3） 緩慢推出HCl溶液，立刻吸入煮沸的NaCl溶液進行洗滌3～4次，見圖2④。最后吸入NaCl溶液5mL，調整注射器角度，觀察鋁表面冒出的氣體，見圖2⑤。可以看到鋁圈表面仍有許多氣泡冒出，隨溶液溫度的降低氣泡產生減緩至無明顯現象，有明顯氣泡產生的時間可持續7～8分鐘。振蕩注射器可以看到少量Al（OH）3白色小顆粒。

（4） 緩慢吸入5mL NaOH溶液，并用膠塞密封針嘴，見圖2⑥和⑦。可以看到反應非常激烈，冒出大量的氣體，待收集5～10mL氣體，拔出膠塞，調整注射器角度靠近火焰點燃，勻速推出氣體，可以看到氫氣安靜燃燒，見圖2⑧。

設計優點：

（1） 利用注射器活塞芯桿推、吸的靈活性，使實驗洗滌過程變得簡單，其密封性保證了不易使去膜后的鋁再被氧化。

（2） 實驗以注射器作為反應裝置具有簡單、安全的作用，如果作為課堂演示實驗，可以在學生之間傳遞以觀察實驗現象。

（3） 用簡單的儀器裝置可完成鋁與氫氧化鈉溶液反應實驗的去膜、洗滌、鋁與水及NaOH溶液反應的一系列操作。

注意事項：

（1） 注射器不能持續加熱，實驗中所用的必須是煮沸的NaCl溶液。

（2） 鹽酸必須經多次洗滌，以排除對鋁和水反應現象觀察的影響。

（3） 鋁圈可以增大鋁的反應面積，吸入和推出液體要緩慢勻速，以免吸入空氣。

不足之處：

加入NaOH溶液后反應比較激烈，沒有經過干燥的氫氣中含有少量氯化鈉溶液，燃燒時火焰夾帶黃色。

3 結語

教材中的實驗只是提到鋁和氫氧化鈉溶液會發生反應，對反應的實質并沒有說明。本文參照文獻中已有的改進實驗的優點和相似性進行新的實驗改進設計，通過明顯的實驗現象推知該反應中水是氧化劑，反應的實質是氫氧化鈉溶解了鋁和水反應產生的氫氧化鋁從而促進了反應的進行。學生通過觀察、辨識一定條件下鋁與氫氧化鈉溶液反應的宏觀現象，從微觀層面理解物質的性質的聯系，體現化學核心素養中的“宏觀辨識與微觀探析”;根據實驗現象推理得出鋁與氫氧化鈉溶液反應的實質，充分體現了“科學探究與創新意識”素養，培養學生良好的創新思維和解決問題的方式方法。

參考文獻：

[1]宋心琦主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修） [M]. 北京： 人民教育出版社， 2007： 51.

[2]唐瑩， 黃翠英. 鋁和氫氧化鈉溶液反應實驗改進[J]. 中學化學教學參考， 2017， （16）： 65.

[3]羅云強. 鋁與氫氧化鈉溶液反應的實驗探究[J]. 實驗教學與儀器， 2011， 28（3）： 29～30.

[4]王程杰. 關注氯離子效應在中學化學實驗中的應用[J]. 化學教學， 2015， （11）： 53～58.

[5]中國人民解放軍總參謀部兵種部防化編研室編.劉漢鼎主編. 核化生防護大辭典[Z]. 上海： 上海辭書出版社， 2000.