房壽高

摘要：對(duì)金屬鋁和熔融氫氧化鈉不反應(yīng)的觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑。通過(guò)7組鋁粉和氫氧化鈉嘗試性的實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋁和熔融氫氧化鈉能發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生氫氣，得出水不是鋁和氫氧化鈉反應(yīng)的必要條件，并在研究結(jié)論的基礎(chǔ)上對(duì)鋁和堿反應(yīng)的教材編寫提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：鋁；熔融氫氧化鈉；鋁與堿反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005－6629(2013)7－0050－03

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1問(wèn)題的提出

在蘇教版高中化學(xué)必修1專題3第一單元學(xué)習(xí)鋁的性質(zhì)相關(guān)知識(shí)時(shí)，一些教師做了這樣的實(shí)驗(yàn)：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(méi)有氣體產(chǎn)生。鋁和氫氧化鈉固體在加熱熔化條件下能發(fā)生反應(yīng)嗎?筆者嘗試用鋁粉和氫氧化鈉固體進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，以探究鋁和氫氧化鈉在無(wú)水的情況下能否發(fā)生反應(yīng)。

2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1實(shí)驗(yàn)1

本實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。具體操作及實(shí)驗(yàn)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(shí)，試管口先用橡皮塞塞上，然后振蕩使兩者充分混合。當(dāng)加熱時(shí)再取走橡皮塞。點(diǎn)燃酒精燈，當(dāng)完全熔化后，從側(cè)面看，很難看清楚氣泡的產(chǎn)生情況，因?yàn)樵嚬鼙诔尸F(xiàn)銀灰色，如同“銀鏡”。過(guò)了1～2分鐘，用燃著的火柴放在試管口檢驗(yàn)，沒(méi)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(hù)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?yàn)橐后w沸騰時(shí)也會(huì)產(chǎn)生類似現(xiàn)象。

2.2實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生的氣體，裝置見(jiàn)圖2。筆者按照收集氣體的慣用做法：先排一會(huì)兒氣體，待氣泡均勻連續(xù)地放出時(shí)再收集。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，開(kāi)始的幾秒鐘，快速地產(chǎn)生大量氣體，還沒(méi)等筆者反應(yīng)過(guò)來(lái)，氣體變得很緩慢。錯(cuò)過(guò)了收集最初氣體的時(shí)機(jī)，只好把緩慢放出的氣體收集起來(lái)，移近酒精燈火焰，幾乎聽(tīng)不到爆鳴聲或“噗”的聲音。由于后來(lái)氣泡產(chǎn)生很緩慢，筆者自認(rèn)為沒(méi)有收集的價(jià)值，所以，沒(méi)有繼續(xù)收集氣體就結(jié)束了實(shí)驗(yàn)。

2.3實(shí)驗(yàn)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(jiàn)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(shí)驗(yàn)2中快速產(chǎn)生的氣體來(lái)不及收集的問(wèn)題，筆者先把導(dǎo)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(yàn)。當(dāng)加熱時(shí)，把快速產(chǎn)生的氣體收集好之后移近酒精燈火焰，聽(tīng)到了尖銳的爆鳴聲，說(shuō)明產(chǎn)生了氫氣。第三次實(shí)驗(yàn)終于檢測(cè)到氫氣的產(chǎn)生，但并不能證明在無(wú)水的條件下鋁和氫氧化鈉能反應(yīng)，因?yàn)闆](méi)有排除掉固體中潮濕氣可能對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響。

2.4實(shí)驗(yàn)4

在清洗前3次實(shí)驗(yàn)的試管時(shí)，發(fā)現(xiàn)加幾滴水時(shí)，反應(yīng)很劇烈，試管壁很燙。第二次實(shí)驗(yàn)的試管清洗時(shí)，用量程為100℃的溫度計(jì)測(cè)量溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)很快超過(guò)了100℃的量程。第三次實(shí)驗(yàn)的試管清洗時(shí)，筆者用量程為300℃的水銀溫度計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度很快達(dá)到了170℃左右。為什么加了幾滴水反應(yīng)如此迅速?從文獻(xiàn)得知“水是鋁和氫氧化鈉反應(yīng)的催化劑”。

2.5實(shí)驗(yàn)5

既然水能催化鋁和氫氧化鈉的反應(yīng)，則固體中的少量“潮濕氣”也能催化該反應(yīng)的速率。筆者把實(shí)驗(yàn)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(yù)熱，這樣既能使試管均勻預(yù)熱，防止試管炸裂，又能趕走試管里的空氣。幾秒鐘后當(dāng)試管口出現(xiàn)“嘶嘶”的響聲時(shí)，用燃著的火柴放在試管口，發(fā)現(xiàn)氣體燃燒起來(lái)，見(jiàn)圖3。

2.6實(shí)驗(yàn)

為了探究在無(wú)水的情況下熔融的NaOH能否與Al粉反應(yīng)，進(jìn)行了第6次實(shí)驗(yàn)。為了排除氫氧化鈉固體和鋁粉中的潮濕氣對(duì)反應(yīng)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(chǎn)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(jìn)入，直到因潮濕氣產(chǎn)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(chǎn)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(yù)先把收集氫氣的試管盛滿水倒放在導(dǎo)氣管吐，準(zhǔn)備收集。點(diǎn)燃酒精燈，此時(shí)產(chǎn)生的氣體較連續(xù)而且均勻(基本1秒鐘產(chǎn)生1個(gè)氣泡)，裝置見(jiàn)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(nèi)徑14mm，長(zhǎng)度15cm)，經(jīng)檢驗(yàn)都出現(xiàn)了輕微的爆鳴聲或“噗”的聲音。而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還收獲了意外驚喜：檢驗(yàn)過(guò)氫氣之后，把試管放到水槽中注入水時(shí)，當(dāng)試管中的水接近滿時(shí)，發(fā)現(xiàn)試管口有氣體在燃燒，見(jiàn)圖4。這可以很好地說(shuō)明檢驗(yàn)氫氣的純度時(shí)，如果經(jīng)檢驗(yàn)不純，再用向下排空氣法收集氫氣時(shí)要先用拇指在試管口堵一會(huì)兒再去收集，因?yàn)樵嚬芾镞€可能有殘余氫氣在燃燒。

2.7實(shí)驗(yàn)7

借助DIS的氫氣傳感器，筆者做了第7次實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)藥品用量和除潮濕氣的方法與實(shí)驗(yàn)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(shí)(冷卻至室溫)，把氫氣傳感器放在試管口，見(jiàn)圖5(沒(méi)有密封)。開(kāi)始給混合物加熱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，H₂的體積分?jǐn)?shù)很快從0升高到100％達(dá)最大量程。當(dāng)把氫氣傳感器移開(kāi)，H₂的體積分?jǐn)?shù)很快又從100％下降到0，然后又放在試管口，H₂的體積分?jǐn)?shù)又很快從0升高到100％。如此重復(fù)，可維持較長(zhǎng)時(shí)間，見(jiàn)圖6(部分時(shí)段)。

3實(shí)驗(yàn)的結(jié)論與分析

由實(shí)驗(yàn)6和7可知，鋁和氫氧化鈉固體在沒(méi)有水的情況下，加熱至熔化狀態(tài)時(shí)是能產(chǎn)生氫氣的，但速率相對(duì)緩和，如果直接用燃著的火柴放在試管口檢驗(yàn)，有時(shí)較難檢測(cè)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(cè)到氫氣的。對(duì)于沒(méi)有干燥的鋁粉和氫氧化鈉固體由于存在潮濕氣，受熱時(shí)開(kāi)始的幾秒鐘內(nèi)就能很快放出氫氣，如果檢驗(yàn)的操作稍微慢了點(diǎn)或過(guò)了1～2分鐘再用燃燒著的火柴放在試管口去檢驗(yàn)，也很難檢驗(yàn)到氫氣的生成，如實(shí)驗(yàn)2。

為什么很多人傾向于認(rèn)為鋁和熔融氫氧化鈉不反應(yīng)呢?因?yàn)樗麄冋J(rèn)為如果能反應(yīng)，反應(yīng)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(rèn)為，上面反應(yīng)式確實(shí)是配不平的，但是產(chǎn)物的化學(xué)式是否一定寫成NaAlO₂或Na[A](OH)₄]有待進(jìn)一步研究。維基百科(英文)和有些學(xué)者認(rèn)為含鋁產(chǎn)物為鋁酸鈉，其化學(xué)式為Na₃AlO₃，并給出反應(yīng)的化學(xué)方程式：2Al+6NaOH→3H₂+2Na₃AlO₃。有的學(xué)者利用氫氧化鈉與鋁土礦粉為原料生產(chǎn)出液態(tài)鋁酸鈉。還有一些學(xué)者認(rèn)為含鋁的產(chǎn)物非常復(fù)雜，在高溫下可能存在二聚離子[Al₂O(OH)₆]^2－等。盡管產(chǎn)物的化學(xué)式存在爭(zhēng)議，但不能改變金屬鋁和熔融氫氧化鈉反應(yīng)的事實(shí)。著名化學(xué)家傅鷹說(shuō)的好，化學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，只有實(shí)驗(yàn)才是“最高法庭”。

4實(shí)驗(yàn)探究的幾點(diǎn)啟示

本次實(shí)驗(yàn)探究使筆者獲得幾點(diǎn)啟示。啟示之一，“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行”，對(duì)一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，不能人云亦云，一定要親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。啟示之二，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)要合理、科學(xué)，不能想當(dāng)然，避免主觀性和隨意性；實(shí)驗(yàn)儀器的精密度在條件允許的情況下盡可能高些，像實(shí)驗(yàn)7中氫氣傳感器的使用，很容易檢測(cè)到氫氣的生成。啟示之三，鑒于鋁和氫氧化鈉在無(wú)水存在的情況下也能發(fā)生反應(yīng)，水只是鋁和氫氧化鈉反應(yīng)的催化劑，由于催化劑一般不作為反應(yīng)物出現(xiàn)在方程式中，只作為條件來(lái)注明，以及鋁和氫氧化鈉反應(yīng)生成的含鋁產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的復(fù)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(yīng)的化學(xué)方程式，讓學(xué)生知道鋁不僅與酸反應(yīng)還能與堿反應(yīng)即可，因?yàn)楫吘蛊浜X產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)還沒(méi)有完全搞清楚。正如劉懷樂(lè)老師所說(shuō)的“有時(shí)大家認(rèn)為很簡(jiǎn)單的問(wèn)題，其實(shí)并不簡(jiǎn)單；有時(shí)大家認(rèn)為已完全解決了的問(wèn)題，實(shí)際并未完全解決”?？茖W(xué)需要嚴(yán)密，我們應(yīng)該尊重事實(shí)，忌把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化。