張址欣+冉鳴

摘要：現(xiàn)行教材設(shè)計的鋁熱反應(yīng)課堂演示實驗存在諸多弊端，其中安全隱患和不便觀察是主要問題。針對這些問題，對該實驗的反應(yīng)裝置、點燃劑，尤其是反應(yīng)試劑的用量配比和微量化進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，使其達(dá)到了課堂演示實驗對反應(yīng)現(xiàn)象的要求，方便了操作，防止了環(huán)境污染。

關(guān)鍵詞：實驗裝置優(yōu)化；鋁熱反應(yīng)；微量化實驗

文章編號：1005–6629（2017）10–0064–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 研究背景

鋁熱反應(yīng)實驗作為高中重要實驗之一[1]，因其涉及眾多化學(xué)核心知識，所以經(jīng)常作為教學(xué)的演示實驗。根據(jù)中學(xué)化學(xué)教科書中的實驗方案（如人教版[2]，魯科版[3]）進(jìn)行演示，其起火發(fā)光的現(xiàn)象雖然明顯，且具觀賞性，但也存在一些問題：（1）鎂條燃燒時產(chǎn)生強光對眼睛有傷害，并干擾實驗現(xiàn)象的觀察；（2）鎂條點燃后，溫度極高，插入反應(yīng)物中使得反應(yīng)劇烈，火星四射、熔化物飛濺，這對實驗操作者存在嚴(yán)重安全隱患?；诖?，現(xiàn)在很少有教師在課堂中演示該實驗，一般通過播放視頻來講解實驗原理。

近幾年已有許多學(xué)者對該演示實驗進(jìn)行改進(jìn)，但其中有些方案仍然存在不少問題，比如：（1）將實驗裝置改進(jìn)得更復(fù)雜或者實驗器材不易找尋[4]；（2）實驗試劑用量大，反應(yīng)過于劇烈存在安全隱患[5]；（3）實驗試劑配制過于復(fù)雜，不利于實驗前期準(zhǔn)備[6]。此外還有一些文獻(xiàn)對實驗用品的劑量報道不詳，使得重復(fù)該實驗方案時達(dá)不到預(yù)期效果[7，8]。為了達(dá)成鋁熱反應(yīng)實驗的課堂演示目標(biāo)，有必要對其再進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。本改進(jìn)實驗優(yōu)化的最顯著之處是大幅降低了實驗試劑的用量（一次實驗耗鋁粉量和氧化鐵量總共僅0.1克），使之成為“微量化實驗”?！拔⒘炕瘜嶒炇且晕⑿×康脑噭┰谳^常規(guī)的儀器裝置中進(jìn)行化學(xué)實驗，使實驗現(xiàn)象依然足夠明顯。即微量化實驗就是在保證試劑用量少、污染少、省時間、易操作的同時，仍使用常規(guī)儀器、裝置，仍能達(dá)到常規(guī)演示實驗的可見度”[9]。使得本改進(jìn)實驗在安全性、可觀察性以及反應(yīng)時間的可控性方面滿足課堂演示實驗的要求。

2 實驗優(yōu)化

2.1 實驗裝置的優(yōu)化

為了實現(xiàn)實驗過程的安全性、可操作性和便于觀察三個方面的功能，同時兼顧實驗裝置的簡潔性與易得性，優(yōu)化的鋁熱反應(yīng)實驗裝置如圖1所示。

取高度為3cm左右的易拉罐底部殼體（以下簡稱易拉罐），用以取代傳統(tǒng)反應(yīng)裝置中的濾紙和漏斗，在其上方2.5cm左右倒扣一個玻璃漏斗。此設(shè)計的優(yōu)點是：防止反應(yīng)物飛濺又兼顧現(xiàn)象觀察，并且不影響實驗中的點火操作。此外，易拉罐又可反復(fù)使用，便于重復(fù)實驗。實驗表明，改進(jìn)之后，實驗安全可控，現(xiàn)象明顯易于觀察，反應(yīng)產(chǎn)物鐵珠收集方便（傳統(tǒng)實驗在沙粒中尋找）。

2.2 實驗點燃方式優(yōu)化

化學(xué)課堂演示實驗有時間的限制，本實驗在優(yōu)化中進(jìn)行了一列驗證實驗，發(fā)現(xiàn)用棉花蘸無水乙醇作為點燃劑的方法最優(yōu)，因充分浸潤無水乙醇的棉花球燃燒時，能夠放出大量的熱，可在較短時間（10s左右）引發(fā)鋁熱反應(yīng)。

2.3 實驗試劑量微量化

基于課堂演示實驗的安全性、可觀察、時間可控性和反應(yīng)試劑的節(jié)約性原則，筆者做了一系列對照實驗，選取幾個有代表性的配方列于表1。

實驗表明，序號2反應(yīng)速率較慢，序號3反應(yīng)速率較快，不易于過程觀察，序號4反應(yīng)速率快且溫和，沒有太強的刺激。選序號1的用量作為課堂演示實驗的方案為最優(yōu)，該方案試劑用量少，反應(yīng)時間適中，火花四濺較少，反應(yīng)劇烈程度適中，安全性高，同時又不影響觀賞性。

3 實驗步驟及現(xiàn)象

3.1 實驗用品

儀器：帶鐵圈和鐵夾的鐵架臺、易拉罐、坩堝鉗、玻璃漏斗、濕棉布、托盤天平、磁鐵、藥匙、棉花、紙片、酒精燈

藥品：無水乙醇、鋁粉、氧化鐵（Fe2O3）粉末、氯酸鉀粉末（藥品均出自成都市科龍化工試劑廠）

3.2 實驗步驟及現(xiàn)象

（1）按照圖1的裝置圖安裝好實驗儀器。將易拉罐底部殼體放置于鐵圈上，在其底部平鋪一層棉花，上面放置混合均勻的鋁粉、氧化鐵粉末和氯酸鉀粉末的薄紙片包，試劑的混合比例為表1中的序號1所示。

（2）鐵夾上夾一個倒扣的用棉布墊著的玻璃漏斗，使玻璃漏斗下端與易拉罐間距大約2～2.3cm（以實驗者放引燃劑方便為準(zhǔn)）。

（3）先點燃酒精燈，用坩堝鉗夾起一塊無水乙醇完全浸潤的小棉花團，在酒精燈上點燃，迅速放入易拉罐中紙包的上方，引燃反應(yīng)物。

（4）約10秒左右，可觀察到如圖2所示的反應(yīng)現(xiàn)象，反應(yīng)劇烈并伴有火花四濺的鋁熱反應(yīng)，實驗過程27秒左右。待易拉罐冷卻后，夾出易拉罐，用磁鐵接近易拉罐內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)磁鐵吸引一些細(xì)小的鐵珠，說明鋁熱反應(yīng)生成了單質(zhì)鐵。

4 實驗注意事項

（1）實驗中易拉罐選取高度適中（大約3cm左右），太高會影響觀察，太低影響實驗用品的放置。

（2）易拉罐上端與漏斗末端間隔適中，過小會影響棉球放入，過大不能防止火花濺出，存在安全隱患。

（3）鋁熱劑與氯酸鉀一定要混合均勻，用薄紙片緊密包裹，否則影響反應(yīng)時間和效果。

（4）圖1裝置中可使用較濕潤的棉布，防止實驗溫度過高，點燃棉布。同時，作為引燃的棉花球不宜太大，太大會出現(xiàn)鋁熱反應(yīng)完畢后，棉花球未燃燒完全，延長反應(yīng)時間，并造成空氣污染（實際操作中若棉花未燃燒完全，可用坩堝鉗取出易拉罐，用濕棉布蓋上將其撲滅）。

（5）此實驗雖大大提高了鋁熱反應(yīng)安全性，為了以防萬一，建議觀察距離至少1米以上。

5 實驗創(chuàng)新點

（1）實驗選取無水乙醇做引燃劑，避免了鎂條引燃的弊端。

（2）確定了助燃劑氯酸鉀的最佳量，使實驗在合適時間內(nèi)呈現(xiàn)最佳效果。

（3）避免因濾紙的遮擋以及反應(yīng)太快而觀察不清晰的情況出現(xiàn)。

（4）找到了鋁粉與氧化鐵粉末最佳比例，在不影響實驗安全性和觀賞性的前提下，減少了試劑用量，也降低了對教室空氣質(zhì)量的過度影響。

（5）用易拉罐代替濾紙，做到了廢物利用，減少環(huán)境污染，此外清洗后的易拉罐可以反復(fù)使用。

參考文獻(xiàn)：

[1][5]林敏.鋁熱反應(yīng)的實驗改進(jìn)[J].化學(xué)教學(xué)，2009，（7）：13.

[2]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)2（必修）（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：89.

[3]王磊主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)1（必修）（第3版）[M].濟南：江蘇教育出版社，2007：116.

[4]孫海龍，于永民.鋁熱反應(yīng)實驗裝置的再改進(jìn)[J].化學(xué)教學(xué)，2013，（8）：39.

[6]向玉耀，萬華明.鋁熱反應(yīng)實驗的改進(jìn)[J].化學(xué)教育，2009，（12）：67.

[7]姚建義.鋁熱反應(yīng)實驗改進(jìn)[J].教學(xué)實驗與儀器（中學(xué)版），2004，（3）：18.

[8]王光大.對鋁熱反應(yīng)裝置的創(chuàng)新設(shè)計[J].化學(xué)教學(xué)，2009，（3）：15.

[9]李光真.高中化學(xué)微量化實驗的開發(fā)[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（5）：55.endprint