铝热反应的实验改进

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摘要:在分析了传统铝热反应演示过程中的不足后,结合实践,对该实验的装置和引燃方法进行了改进。

关键词: 铝热反应;实验改进

文章编号:1005-6629(2010)09-0003-02 中图分类号:G633.8 文献标识码:C

铝热反应的演示实验是高中化学课堂教学必做的实验,通常作为铝元素的重要化学性质之一而引出。由于实验现象极为激动人心,使其成为为数不多的能给学生留下深刻印象的化学实验之一。一般采用滤纸漏斗作为容器的方法进行操作,装置如图1所示。然而,该实验在完成过程中常会遇到以下问题而无法得到应有的效果: (1) 镁条不易点燃,需用酒精灯或打火机点燃,存在安全隐患。即使点燃,因镁条燃烧产生的耀眼白光,易造成学生暂时的视觉损伤而难以清楚观察到反应的后续现象;(2)用两层滤纸漏斗作容器,尽管滤纸被润湿过,但往往因为无法承受高温的灼烧,造成滤纸被引燃,药品散落,导致反应不完全;(3)纸漏斗开口较大,喷溅出来的铁水存在一定的安全隐患,也容易对实验操作台面造成损害;(4)由于滤纸的遮挡,使坐在低处的学生只能看到类似燃放烟火的效果,很难全面看到反应真实的状态,特别是因为无法观察到有液态的铁水生成,而对实验所产生的高温缺乏足够的感性认识,看似成功的实验却留下不少遗憾。

笔者经过反复试验,针对以上不足,做了具有创新意义的改进。不仅操作简便、成功率大大提高,而且收到了很好的实验效果。具体改进如下:

1 实验改进

首先,对实验装置作了改进。用测定熔点的b形熔点测定管替代滤纸漏斗,装置如图2所示。熔点测定管尽管不是高中化学必备的实验器材,但属于常见的玻璃仪器,市售的价格在5～6元/只,材质通常为硬质玻璃,耐热性能较好。

其次,对引燃方法作了改进。在实践中发现高锰酸钾和甘油等有机物发生剧烈反应时也能产生足够的温度并将铝热剂引燃,如果在高锰酸钾中加入适量镁粉的话,则可以进一步提高点燃的成功率。

2实验用品

铁架台带铁夹,b型熔点测定管(简称b形管),蒸发皿, 小纸片, 铝热剂(Fe2O3、Al粉), 细砂,引燃剂(KMnO4、 Mg粉), 甘油。

3实验步骤

(1)实验前将Fe2O3和铝粉按质量比5∶2的比例混合均匀,配置成铝热剂。

(2)如图2所示组建装置。

(3)准备一张长条形纸片,长度和熔点测定管的高度相当,宽约2cm。将纸片插入到b形管底部,紧贴上下两个支管口,作用是防止装入的细砂和药品滑入支管。

(4)分别在蒸发皿和b形管中填入细砂。b形管中的细砂填充至上端支管口附近,细砂略向下倾斜,便于反应生成的铁水从支管口流出。

(5)在b形管中装入混合好的铝热剂,一边填充一边压实,一直装到b形管口。

(6)在装好的铝热剂上方撒上引燃剂,将引燃剂堆成锥形,并在锥形顶部压一小凹坑,便于滴加甘油。

(7)在引燃剂上滴加4～5滴甘油,等待15秒钟左右反应开始。

4注意事项

(1)配置铝热剂时,由于Fe2O3粉体易吸湿,配置前需烘干。铝粉可以选择颗粒稍细的,在200目以上的效果较好。Fe2O3与铝粉的混合必须均匀,防止结块。

(2)引燃剂的配置可以根据需要,将KMnO4和Mg粉按一定的比例混合即可,根据笔者的经验,按照质量比5∶1的比例混合,引燃的成功率很高。

(3)甘油的黏度较大,冬天温度较低时更甚,为了方便使用可加入少量水或稍微加热以降低黏稠度,便于滴加后它能快速渗入到引燃剂中引发反应。当环境温度较低时引燃的时间会稍长,但一般不超过30秒。

(4)在熔点测定管中填装铝热剂时要注意将铝热剂压实,尽量减少空隙,否则,反应中会有少量反应熔融物溅出。

(5)蒸发皿只是为了以防万一备用,并不会有铁水滴落。正常情况下,流经支管的铁水还未将玻璃熔穿就已经冷却凝固了。

5实验优点

(1)良好的实验效果

本实验的最大突破是利用了b形管的特殊构造,让观察者能观察到有流动的铁水生成,而不是以往落入砂子已经凝固的铁珠,这样教师的教学就更有说服力了。

(2)较高的安全性

由于铝热反应只有固体物质生成,尽管产生极高的温度,但不会发生爆炸。按如上方法将熔点测定管填装满所需的铝热剂大约21 g,产生的热量约80 kJ,总体热量不多。制作熔点测定管的硬质玻璃在700 °C左右软化,但受到重力作用,铝热反应自上而下进行,熔融铁水与玻璃的接触时间很短,被软化的玻璃立刻在空气中冷却变硬。通过反复实验发现,将铝热剂置于试管或熔点测定管等玻璃容器中反应,不但不会出现玻璃爆裂的现象,而且由于开口较小且填装紧实,相比于滤纸漏斗,火星喷射的距离更小,实验更加安全。同时,改进的引燃方法可以给实验操作者有足够的时间退到安全的距离。

(3)操作简便和高成功率

以往实验中用镁条作引燃剂,引燃后镁带燃烧产生的强光常会干扰对实验本身现象的观察,时常还会遇到镁条不易引燃的情况。在使用KMnO4和镁粉的混合引燃剂后无需用明火点燃,只要用甘油即可达到同样的效果。甘油与KMnO4可以发生剧烈的氧化还原反应放出大量的热,从而使镁粉燃烧,镁粉燃烧产生的高温进而将铝热剂引燃。该方法的引燃成功率几近100%。

(4)成本低而环保

熔点测定管的价格和蒸发皿相当,且玻璃可以回收,因此,并不会额外增加实验成本。此外,可以用损坏的蒸馏烧瓶等具有支管的玻璃仪器来替代熔点测定管,可以达到废物利用的目的。实验完成后可用小磁铁或磁针检验凝结在支管处的铁块。

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