《铝的活泼性实验创新设计》-理学论文，化学论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

铝的活泼性实验创新设计

范文

郑雅兰

摘要：为了使学生切实体验单质铝的活泼性并感悟创新理念，对传统仪器作巧妙改造后，将“铝在空气中氧化”实验中的铝条插于橡胶塞直立讲桌使“毛刷”立体呈现，再用抖落“白毛”的铝条在悬于细口瓶热水中的底部有洞小试管内直接补充演示“铝和热水的反应”，实验中清晰地看到白色沉淀产生，收集的氢气也能安全点燃。这样把两个实验连贯起来优化了教学流程，提高了课堂实验教学效果。

关键词：铝的活泼性; 铝和热水的反应; 实验改进

文章编号： 1005-6629（2020）02-0061-03

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

课堂演示实验不仅是学生客观地认识物质的性质及变化规律获得化学知识的重要途径，更是提高学生综合素质，培养和发展学生观察能力、思维能力、创新能力的重要方法和手段。高中教育阶段是培养学生创新能力的重要时期，教师在课堂教学（特别是实验教学）中不拘泥于课本、敢于创新设计并产生好的实验效果，其意义就不仅局限于培养学生的认知能力，对于培养他们的创新意识、激发他们的创新热情都有不可低估的作用。因此教师不仅是传道、授业、解惑的启蒙者，更是身教重于言教的创新观念的践行者。秉承这种观念，将铝的自然氧化及铝和水反应两个实验连贯起来设计成一个新的课堂演示实验，在此和大家分享，并作一些探讨。

1? 问题的提出

上科版高中化学教材高二第八章第2节是“铝和铝合金的崛起”。教材中安排了“鋁在自然界的存在形式和冶炼方法”、“单质铝的物理性质和用途”、“单质铝及化合物的性质”[1]等多个知识点的内容，其中单质铝性质的学习是重点之一。《上海市高中化学学科教学基本要求》第99页有一具体要求是“描述铝与氧气、水、氧化铁反应的实验现象，书写相关化学方程式，归纳铝的强还原性”[2]。明确要求描述铝与氧气、水反应的实验现象，但教材中只安排了铝的氧化实验[3]，并没有安排铝和水反应的实验，这不利于学生认识铝的强还原性（活泼金属置换水中氢离子是其强还原性的重要表现）。为了加强认识和理解，多数教师会利用学生已知的金属活动性顺序表及活泼金属钠置换水中氢离子产生氢气的知识推演铝和水反应的产物和现象。有少数教师还会尝试做铝和水反应的实验，通常的做法是先用砂纸擦除铝表面的氧化膜，然后插入试管内蒸馏水中再加热，观察产生的气泡等。这个实验方案虽

简单，但是实验效果很差，通常看不到白色沉淀（氢氧化铝）的生成，想要收集气体做点燃试验也较难做到。

那么，怎样让学生在课堂上能够清楚地看到铝和水反应产生的气泡和难溶物，并且能够将产生的气体收集、点燃？笔者结合多年的研究和实践，设计了以下课堂教学过程和演示实验，获得了很好的教学效果。

2? 实验方案

2.1? 实验药品及仪器

螺旋状铝条（比小试管略短）、课前灌装在暖瓶中的煮沸自来水（或煮沸的3%～5%氯化钠溶液）、10%硝酸汞溶液（或氯化汞溶液）、2mol/L氢氧化钠溶液;500mL细口瓶（1个）、底部有小洞的小试管（1个）、完好的相同规格小试管（2个）、和小试管配套的单孔塞（单孔塞上配有橡胶管及尖嘴玻管）、止水夹（2个）、比小试管口径大的橡胶塞（1个）、1000mL大烧杯（1个）

2.2? 实验装置

如图1～图4所示：

图1? 固定在橡胶塞上的螺旋状铝条

图2? 底部有小洞的小试管

图3? 用止水夹将橡胶管对折夹住

图4? 用止水夹固定小试管悬于细口瓶热水中

2.3? 实验步骤及现象

（1）课前准备好底部有小洞的小试管（如图2所示）;1000mL大烧杯装满自来水备用;在试管架上准备好两个小试管，分别盛有10%硝酸汞溶液（或氯化汞溶液）和2mol/L氢氧化钠溶液待用（注：液体液面距试管口1cm左右，防止插入铝条后溶液溢出）。

（2）如图1所示，将螺旋状铝条的一端固定在橡胶塞上，再将该铝条插于盛有2mol/L氢氧化钠溶液的试管中（橡胶塞的作用是保证铝条不会掉入碱液中），当试管中有大量气泡产生时，取出螺旋状铝条在大烧杯的备用水中洗涤干净，再迅速插入硝酸汞溶液（或氯化汞溶液）的试管中，引导学生观察铝条表面颜色的变化。

（3）待铝条表面变成灰黑色（约1分钟），取出铝条以插入的橡胶塞做底座直立于讲桌A4白纸上（铝条直立便于观察，白纸便于氧化产物的收集，收集到的氧化铝可用于后续氧化铝的两性实验，这样得到的氧化产物活性较好[4]，在强酸、强碱中的溶解很迅速，溶解过程中没有气泡产生也印证了“汞齐化”铝单质长出来的“毛”是氧化铝）。然后，教师边讲边引导学生观察氧化膜去除后铝条在空气中的自然氧化——毛刷现象[5]。

（4）（铝单质能够在自然条件下氧化说明铝较活泼，其活泼性还表现在它和水的反应）抖落铝条表面的“白毛”，取下铝条上的橡皮塞，将铝条放入底部有洞的小试管中，塞上配套的单孔塞，然后在500mL细口瓶中注满提前准备好的煮沸自来水（或3%～5%的氯化钠溶液[6]，不建议直接使用蒸馏水），再用止水夹夹住小试管的管口悬空固定于500mL细口瓶瓶口（如图4所示）。待小试管中充满热水后，用止水夹将橡胶管对折夹住（如图3所示）。

（5）观察细口瓶中的小试管：铝条表面有大量气泡产生，液面下降，还不断有白色沉淀产生（如图5所示）。当小试管中液面不断下降，气体充满小试管时（大约2～3分钟），先点燃酒精灯，对准玻管尖嘴处，然后打开止水夹，可看到尖嘴处有火苗产生（如图6所示）。

图5? 产生气体和白色不溶物

图6? 气体可在尖嘴口点燃

3? 实验注意事项及相关说明

铝活泼性实验最关键的步骤是除去铝条表面的氧化膜。首先，氢氧化钠溶液不要过稀，溶解氧化膜要充分，等试管中有大量气泡产生时再取出，快速放到大烧杯的备用水中洗去附着的碱液;然后，迅速放入硝酸汞溶液（或氯化汞溶液）[7]的试管中，在硝酸汞溶液中的浸泡時间必须掌握好，观察铝条表面变成暗灰黑色[8]即可（室温下，时间控制在45秒至1分钟之间最佳，时间不宜长，否则会影响铝条和水的反应）;最后，要等它的“毛”长出来脱落，触感铝条有点烫，再放入热水中（铝条在空气中“长毛”时间大约两分钟，非常适合课堂边讲边实验）。

为了更利于课堂边讲边实验的时间把控，笔者做了多组对比实验，发现水温对产生氢气的速率影响较大，一般控制水温80℃以上，反应速率就比较快，大约2～3分钟就能集满一试管的氢气（用自来水和4%的氯化钠溶液反应速率相差无几）。

另外，在较低温度下“氯离子效应”[9]对该反应的速率影响很大。笔者用4%氯化钠溶液和纯净蒸馏水控制50℃的水温做了对比实验，结果是4%氯化钠溶液的反应速率比蒸馏水快许多，集满一试管的氢气大约需要12分钟。而在50℃的条件下，铝条与蒸馏水反应速率非常慢，20分钟才收集了3毫升的氢气，这也是实验中不建议使用蒸馏水的原因（成本高且比自来水反应慢）。

4? 本实验设计的创新点及意义

（1）优化了课堂实验教学流程。将铝单质在空气中的自然氧化“毛刷实验”以及“铝单质和热水的反应”两个重要的性质实验结合起来，使课堂教学中演示实验前后连贯、一气呵成，教学内容衔接得很好，使学生对铝的金属活泼性认识更加充分。而且“毛刷实验”的产物还能为后续氧化铝的两性实验提供活性较好的反应物。

（2）实验设计巧妙。①500mL细口瓶容积较大，装满热水后实验过程中无需再加热，且水温不易降低;②用底部有洞的小试管收集氢气，从水位的下降可观察到气体的产生和排水集气法的过程;③用生成“铝汞齐”的方法破坏铝条表面氧化膜，使其与水反应产生气体的速率大大加快。

（3）实验操作简单安全，现象明显，便于推广。实验过程中使用有洞小试管，利用排水集气法收集气体产物——氢气，保证了氢气的纯度，可以安全地点燃。还能够清晰地观察到不溶性物质——氢氧化铝的生成。实验中所用仪器均为常规仪器，底部有洞的小试管和螺旋状铝条都不难加工，甚至可以在课堂上讲解铝的物理性质时当场弯曲铝条，使学生更直观地认识铝的硬度，一举两得。

（4）实验用时短、重复性好。本文设计的实验方案集满一试管的氢气只需要2～3分钟，非常适合边讲边实验的课堂教学。如果设计成探究实验，需要多次收集气体的话，只要再次将尖嘴玻管下端的橡胶管对折夹住，可立即观察到小试管中液面下降，且后续产生气体的速率会越来越快。

（5）实验教学的问题设计可根据教学情况收放自如，可以课堂讨论也可以课后思考。例如铝条为什么要弯成螺旋状？铝条表面除去氧化膜的办法有哪些？哪个方法更方便？为什么教师要用“毛刷实验”后的铝条来做铝和水的反应？这样做有什么好处？（对于有些感兴趣的学生还可以就“氯离子效应”[10]查找资料、对比、探究、讨论）……这些问题的讨论可促使学生将铝在空气中自然氧化的放热，以及形成“铝汞齐”的作用（除了破坏铝表面形成致密氧化膜以外，还可能有电化学腐蚀加快反应速率）等知识点的复习和巩固，通过问题讨论把这些知识和原理有机地联系起来，对培养和锻炼学生发现问题、分析问题、解决问题的能力很有意义。

（6）这个课堂实验教学的创新设计对培养学生的创新意识和创新精神很有作用。该设计是在安全有保障、条件允许的情况下，把课本上“铝在空气中的氧化实验”做了改进和拓展，并进行探究性教学。此类创新实验教学的实施和体验，不但使学生耳目一新，而且能让他们体会到化学的魅力和创新的魔力。当创新意识不再是口头的描述和期待，而是切切实实的感受和体验时，创新的理念才会真正在学生的头脑中生根发芽。

参考文献：

[1][3]姚子鹏主编. 高级中学课本·化学·高中二年级第一学期（试用本）[M]. 上海：上海科学技术出版社， 2007： 13～16.

[2]上海市教育委员会教学研究室. 上海市高中化学学科教学基本要求（试验本）[S]. 上海：华东师范大学出版社， 2017： 105.

[4][5][8]王程杰，李桂林. 铝片长毛实验中几个问题的解惑[J]. 化学教学， 2009，（4）： 5～7.

[6][7][9][10]王程杰. 关注氯离子效应在中学化学实验中的应用[J]. 化学教学， 2015，（12）： 53～56.

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