对“铝与氧气反应”实验的探究与反思

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文章编号:1005-6629(2010)05-0037-03 中图分类号:G633.8 文献标识码:B

1问题提出

苏教版《实验化学》第21页中关于“铝与氧气反应的实验探究”的实验描述:将铝片剪成长5～8 cm、宽0.2～0.3 cm的铝条,绕成螺旋状,一端绕紧一根火柴。实验时,用坩埚钳夹紧铝条的另一端,点燃铝条上的火柴,待火柴快要燃烧完时,将铝条伸入盛有氧气的集气瓶(瓶底盛有少量水)中,观察现象[1]。该实验中的铝基本上不能燃烧。我所任教的三个班级的学生都进行了分组实验,都严格按照实验手册的步骤和要求去做,但没有一组学生有观察到像铁在氧气中燃烧的那种火星四射的现象。这是怎么回事呢!是实验操作的问题?药品的问题?是实验方案的问题?还是学生没有规范操作呢?带着这些问题,我们几位老师对其进行深入探究和实验改进,学生也积极参与了思考。

2 实验探究

2.1问题的发现

铝为什么在纯氧中不能燃烧?而比它化学性质不活泼的铁在纯氧中都能剧烈燃烧。是铝不纯?氧气不足?还是铝表面有阻燃的物质存在等等?这些问题在教材的方案设计中都有所顾及。比如:实验用的铝,我们特意去买“分析纯”的铝片;用盛有氧气的集气瓶可做到提高氧气的浓度;把铝片剪成铝条,再绕成螺旋状可做到增大与氧气的接触面;我还要求学生把铝条用砂纸进行打磨以除去表面的氧化膜。经过以上的处理,铝条还是不能燃烧,多数学生所观察的现象是:铝条本来比较光亮最终变得没有金属光泽,同时用手折容易断裂。这现象说明铝参与了反应,但关键问题是要观察到燃烧的现象,何况铝比铁活泼,怎么就没有理论上所预测的那样呢?

此现象经过学生课后的分析探讨,结合学生实验后上交的学案,得出了以下几种可能:

(1)虽然在燃烧之前铝条表面的氧化膜用砂纸处理过,但在空气中预热时又生成氧化膜覆盖在表面,当然就燃烧不起来;

(2)氧气的浓度太低或量太少,铝条与氧气的接触面还是太小;

(3)酒精灯加热的温度不够高。

学生提出以上几种可能依据以下几点知识:

(1)铝作为活泼金属,很容易与氧气发生氧化反应,就像金属钠一样,当用刀切开的时候,表面很快就变暗;铝在金属活动性顺序表中紧接钠的后面,当然很容易与氧气发生反应生成氧化物;

(2)查阅相关资料:氧化铝的熔点2050 ℃,其致密程度很高,又相当稳定。

(3)化学反应速率取决于反应物的浓度、体系的温度以及接触面的大小等。气体浓度越高、体系温度越高以及接触面越大,反应速率越快。

(4)酒精灯加热的温度为400~500 ℃,铝在纯氧里燃点为550 ℃[2], 显然,用酒精灯加热,铝条就很难点燃。

这些知识在《化学反应原理》、 《化学1》(必修)和《化学2》(必修)有过详细的介绍,难道铝就不能在空气中或纯氧中燃烧吗!课本既然选择了这个实验,应该是可以进行的。这迫使我们对这些问题要进行深入的分析,这也正体现了《实验化学》的特点和新教材的理念。

2.2问题的探究

(1)对于铝表面氧化膜的探究

金属铝位于金属活动性顺序表的前面位置,属于比较活泼的金属,平时从实验室取出来的铝片表面都有一层致密的氧化膜,如何证明其表面有氧化膜存在?

实验步骤:取一块未经打磨处理的铝片,投入到3 mL 6.0 mol・L-1热的氢氧化钠溶液中,观察铝片表面的气泡。

实验现象:开始大概2分钟左右,表面没有气泡,2分钟后表面产生气泡,而且越来越多。

此现象说明,氢氧化钠最初与铝表面的氧化膜反应,所以没有气泡,等氧化膜被破坏后,暴露出来的铝与氢氧化钠反应能产生气泡。这一现象可以说明铝片表面有氧化膜。我们可以利用砂纸的打磨或与氢氧化钠反应,去除表面的氧化膜,然而经过这样去除氧化膜的铝片,还是无法在氧气中燃烧。

是不是学生所猜想的:在铝条的预热过程中又生成氧化膜呢?要证明这点比较简单,就是重复以上实验。

实验步骤:取前面铝燃烧失败的铝片,投入到3 mL 6.0 mol・L-1热的氢氧化钠溶液中,观察铝片表面的气泡。

实验现象:开始大概1分钟左右,表面没有气泡,1分钟后表面产生气泡,而且越来越多。

从中可以看出,铝片表面又生成了氧化膜,时间上的差异说明,氧化膜的厚度比原来的要薄。如何在燃烧前不让它产生或产生很薄的氧化膜呢?

查阅了很多有关铝的资料,其中有一条很有利用价值:在铝表面产生“汞齐”,就可以破坏其氧化膜的生成。

实验步骤:取一块未经打磨处理的铝片投入到3 mL 1.0 mol・L-1的Hg(NO3)2溶液中, 静置2分钟,取出观察铝片表面的现象。(注意:汞有剧毒,注意安全)

实验现象:铝表面金属光泽消失,很快长出白“毛”,见图1所示:

把铝片放入Hg(NO3)2溶液中,硝酸汞穿过保护层,与铝发生置换反应,生成了液态金属――汞。汞在常温下就可以与铝结合生成铝汞合金,该合金的俗称为“铝汞齐”,铝表面生成铝汞齐后,铝失去氧化铝保护膜的保护作用。这白“毛”经过实验证明是蓬松的氧化铝。以上实验可以证明:暴露出来的铝单质性质很活泼,常温下就能与空气中的氧气反应而生成氧化铝。经过这样处理的铝条,刮去其表面的“毛”,放在酒精灯外焰上加热,还是烧不起来,但很快又长出了大量的白“毛”。这说明铝很容易与氧气反应,只不过没有达到燃烧的程度;温度越高反应越快,也从一个侧面说明,只要不产生致密的氧化膜,就可以使里面的铝继续氧化。

氧化膜经过以上处理已经除去,就算是生成的白“毛”也是蓬松的,相当于铝单质已经暴露在空气中,为什么还是烧不起来呢?这时,大家都会想到加热温度不够未达到着火点、氧气浓度不足或接触面太小等问题。

(2)对于加热温度的探究

正常情况下酒精灯温度为400~500 ℃。学生在实验室做实验时,人员走动,造成气体流动,此时火焰温度可能低下来;由于学生的不规范操作,导致实验室里的酒精灯灯芯上有很多杂质和黑碳,燃烧的酒精灯温度就更低。况且铝的燃点为550 ℃,用酒精灯是很难达到的,改为酒精喷灯能否达到燃点呢?酒精喷灯的温度为800 ℃~1000 ℃,已经超过了铝的燃点。

实验步骤:取前面经Hg(NO3)2溶液处理过的铝条,用酒精喷灯加到红热,快速伸入盛有纯氧的集气瓶中,观察现象。

实验现象:铝条剧烈燃烧,火星四射,发出耀眼的白光。

剧烈的燃烧正好验证了我们的推测:没有达到燃点。但为什么在酒精喷灯上加热过程不燃烧,而要放入纯氧的集气瓶中才燃烧呢?自然就会想到氧气浓度和接触面的问题。

(3)对于氧气浓度和接触面的探究

化学反应速率的影响因素很多,其中浓度的影响起着很大的作用。提高反应物氧气的浓度,化学反应速率从理论上讲会提高很快。空气中氧气的体积百分数约为21 %,在酒精喷灯火焰周围由于乙醇的剧烈燃烧消耗大量的氧气,导致其周围氧气浓度急剧下降,此时的氧气浓度对于铝燃烧就显得较低,所以要提高氧气的浓度,最直接的方法就是将铝片在纯氧中燃烧。

实验步骤:装置见图2所示。往锥形瓶中加入少量的二氧化锰固体,在分液漏斗中加入双氧水,打开分液漏斗的旋塞,慢慢滴入双氧水,反应一段时间后,用排水法收集一大瓶的氧气,同时集气瓶底部保留少量水。

用此种方法收集到的氧气具有快速、纯度高、量多等优点。把经过 Hg(NO3)2 溶液处理过的铝条,放在酒精喷灯上加到红热,快速伸入集气瓶中,此时,燃烧的现象非常明显:火星四射,发出耀眼的白光, 见图3所示。

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提高氧气浓度可以提高反应速率,若把铝条剪的更细或换成铝粉是不是反应还会加快,而且有可能可以直接在酒精灯上加热、在空气中燃烧呢?

实验步骤:把铝片按照图4所示的规格剪下,做成如图5所示的提篮形燃烧匙。然后把该燃烧匙放入Hg(NO3)2溶液浸泡一下拿出,往其底部加入少量铝粉,用坩埚钳夹住上面放在酒精灯外焰加热。

实验现象:“燃烧匙”底部变红,移开酒精灯,整个“燃烧匙”在空气中剧烈燃烧,发出耀眼的白光。

以上的实验现象能充分证明:提高加热的温度、除去表面的氧化膜、增大与氧气的接触面等,都能使反应加快进行;也可证明铝能在空气中燃烧。

2.3问题的解决

通过上述实验探究,要使铝能在氧气中燃烧,必须做到两点:第一,必须除去表面的氧化膜;第二,要提高加热的温度、氧气的浓度或增大与氧气的接触面。只要满足了这些条件,才能使这个实验成功。结合以上的探究过程,经过师生的整理和改进,以下几种方法都可以成功:

(1)燃烧匙法

把铝片按照图4所示的规格剪下,做成如图5所示的提篮形式(做燃烧匙)。然后把这个“燃烧匙”放入Hg(NO3)2溶液浸泡一下拿出,往其底部加入少量铝粉,用坩埚钳夹住上面放在酒精灯外焰加热,铝粉就可燃烧。

(2)喷瓶法

到化装品店购买如图6所示的喷瓶,把酒精注入到瓶中,再加入少量400目左右的铝粉,摇匀,打开上面的保护盖,对着酒精灯火焰喷,可以看到,在酒精燃烧的同时,随酒精喷射出来的铝粉也一同燃烧,现象相当明显(图7)。

(3)脱脂棉法

取一团脱脂棉,在里面分散地包上铝粉,外面粘些KClO3,用坩埚钳夹住棉花团,放到酒精喷灯外焰点燃,观察现象。

(4)自制铝箔法

在一块薄的白纸上均匀地涂上胶水,再均匀撒上铝粉, 厚度和密度都要均匀,晒干得自制铝箔,剪成约l cm×10 cm的小条。用镊子摄住铝箔的一端,另一端在酒精灯上点燃,待部分纸烧起来后,立即放入到盛满氧气的集气瓶内,即发出耀眼的白光。

3反思

本次探究是紧密结合《实验化学》教学内容进行的符合化学新课程标准的一次活动,教师和学生一起亲身经历了类似科学家的研究过程:从实验中产生疑问、提出问题、设计方案、实验验证和分析反思结论;体验、感受了探究的乐趣,全方位锻炼了学生的实验能力,也锻炼和培养了他们的意志和毅力,开拓了思维,增强了自信,提升了创造力。因此,教师在教学中,特别是在《实验化学》的教学过程中,要多鼓励学生对教材质疑,引导学生发现问题。发现或提出一个问题,往往比解决一个问题更重要。并给学生创造良好的条件让他们去探究、设计化学实验,让他们独立完成实验,尽量发挥他们的主动性和创造性,把学习化学的兴趣推向高潮,从而锻炼他们的实验技能和智能。

教材上的知识尽管是经过了专家的审查和验证,但并不见得就完美无缺,总会留下一些或特意留下一些供我们教师和学生共同去探索的空间,而《实验化学》新教材的实施才两年, 教材中的一些问题还需要我们一线的教师进行实践的验证。本人认为这其实也是新教材特意留给我们的悬念。只要我们教师在教学中不唯书、不唯纲,积极思考,主动探究,及时总结,在实验中探究,在反思中升华,就一定会有新发现,探索出一套较好的《实验化学》教学的模式,并使自己尽快成长为一个研究型、创新型的教师。

参考文献:

[1]王祖浩.《实验化学》[M].江苏教育出版社, 2007.11. 21.

[2]“氯化铵溶液与氯化铝溶液混合有没有沉淀生成”[J].《化学教育》.2009,1.

[3]王祖浩.《中学化学课程评价的反思与探索》[M].东北师范大学出版社,2003.

[4]铝百科:baike.省略/

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