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标题 铝热反应实验装置的再改进
范文 王云霞




摘要：对教材中设置的铝热反应实验及相关文献中的改进实验提出商榷之处，从微型化、安全化、绿色化等角度再次进行改进，实现用品易得、操作简单、现象明显、低碳环保、安全实验等目的。
关键词：铝热反应；实验装置改进；高中化学教学
文章编号：1005-6629（2016）2-0058-03
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
1 问题的提出
铝热反应实验是一个典型的理论应用于实际的实验，现行苏教版教材两次涉及该实验，分别出现在《化学1（必修）》第65页和《实验化学（选修）》第23页。高中化学教学中，为了让学生更好地学习铝热反应的知识，增强课堂的趣味性，一线教师都会演示该实验。然而实验中经常会遇到以下情况：镁条难被点燃；由于铝热反应非常剧烈，实验时甚至很害怕去点燃镁条；镁条燃烧发出的耀眼强光，会伤害眼睛；铝热反应发生过程中，火星四射，熔融物飞溅，烧坏实验台甚至灼伤离实验台较近的师生；实验中生成的浓烟，久久不能散去，影响正常教学；浓烟中细小固体颗粒若被人体吸入，影响师生健康。《实验化学（选修）》第24页也明确写出安全须知：因铝热反应非常剧烈，操作时应注意防止烫伤，最好戴上石棉手套和防护眼罩，并移开附近的易燃物。可见，该实验操作方法非常麻烦且存在严重的安全隐患，不符合当今的绿色环保、安全教育的理念。
笔者查阅了2010到2015年《化学教学》、《化学教育》、《中学化学教学参考》三大期刊相关文献，发现孙海龙、于永民及俞远光等老师的实验改进有较强的操作性。笔者经过反复操作3位老师的改进实验，发现以下几点值得商榷：
（1）空心砖及空心圆柱体的制作均较麻烦，另外，在实际操作中空心砖及空心圆柱体有爆裂的危险（可能与其含水量有关，也可能与散落的高温熔融物有关，具体原因不明）。
（2）雪碧瓶（2.5L）及其他老师使用的色拉油瓶（5L），由于瓶壁太薄，红热的熔融物溅到瓶壁上，瓶壁立即软化塌陷，甚至燃烧。不但不能起到收集烟尘的作用，反而造成新的污染。
（3）俞远光老师的鞭炮引燃方式存在—定的安全隐患，不宜采用。另外，滤纸燃烧并非浓烟产生的主要原因（可点燃滤纸进行对照实验验证），俞老师的实验在敞开的环境中进行，故仍存在相当程度的烟尘污染。
针对以上不足，笔者从“实验微型化”、“废物循环利用”、“绿色环保”及“装置简约、安全”等角度对该实验进行了改进。
2 改进实验
2.1 实验用品
仪器：圆形滤纸（直径7cm）、胶头滴管、托盘天平、蒸发皿、塑料盒（笔者使用白酒的外包装盒，厚度远大于雪碧瓶，受热不易软化及燃烧，盒子的下口边长比蒸发皿的直径稍大即可，若下口边缘有孔或者下端不平齐，可用宽透明胶带封住）、药匙、小喷雾器（如装防蚊水的塑料瓶）、坩埚钳、剪刀、砂纸、磁铁、试管刷、木板、铁片（平整、长宽略大于白酒盒的口径，保证烟尘不泄漏即可。可用铁质饼干盒的盖子）、细沙子
药品：氧化铁粉末、铝粉、镁条、氯酸钾粉末、高锰酸钾晶体小颗粒、纯甘油、氢氧化钠溶液
2.2 实验原理
利用高锰酸钾能够氧化甘油的性质，引发甘油燃烧（室温下约需20s时间，此段时间实验者可以非常安全地将塑料盒罩住整个反应装置，形成封闭体系），甘油燃烧产生二氧化碳及足够的热量，使镁条在充满空气和二氧化碳的氛围中剧烈燃烧，产生的热量提供了铝热反应的高温条件。向塑料盒中喷人的氢氧化钠溶液可以吸收多余的二氧化碳，烟尘也会自发地沉降或粘附在瓶壁的溶液中。
2.3 实验过程、装置及现象
（1）将滤纸三次对折后折成一个一边三层另一边五层的纸漏斗，用水湿润（可以将反应体系与外界的沙子隔开，即使经过铝热反应的高温后，纸漏斗也几乎没被损坏，避免了细沙中的磁铁矿对铝热反应中生成的铁单质检验的干扰）。
（2）将Fe2O3粉末和铝粉按质量比大约5：2均匀混合后，取0.7克（约大半药匙）放入纸漏斗，用药匙的末端在混合物中挖一个凹槽型小洞，填满氯酸钾粉末（用药匙将其与表面的铝热剂略微混合）。
（3）将纸漏斗放在蒸发皿的中心，周围用细沙填埋固定至与纸漏斗的上边缘相平齐（注意细沙不要倒进纸漏斗）。
（4）在纸漏斗旁边的沙子上，放入0.7克高锰酸钾晶体小颗粒，堆成小山状，用钥匙的尖端在其顶部捣一个凹槽型的小洞（为容纳甘油液体做准备）。
（5）用砂纸将镁条打磨光亮，剪取约4cm长的一段，一端剪成细丝。将未处理的一端插入铝热剂中盛氯酸钾的凹槽中，另一端恰好置于高锰酸钾颗粒堆成的凹槽型小洞的洞口（如图1）。将蒸发皿放到有防护装置的实验台上（减少飞溅的熔融物对实验台的损伤。具体设计如图2，并在实验台上放一块木板，再在上面放—块铁片）。
（6）用小喷雾器向塑料盒的内壁及顶端喷氢氧化钠水雾，至瓶壁上形成薄薄—层小水珠。
（7）用胶头滴管滴入4～5滴甘油至高锰酸钾颗粒堆成的凹槽型小洞中，立刻用（6）中处理过的塑料盒罩住反应装置（如图2）。
（8）大约20s后便可看到高锰酸钾和甘油的混合体系冒白烟，接着听到“噼啪”的响声，看到甘油燃烧的火焰，随即镁条被点燃剧烈燃烧至纸漏斗中后，瞬时火花飞溅，同时还能看到纸漏斗中红热的铁球形成。6～8min后烟尘基本沉降，红热的铁球也基本恢复室温。
（9）提起塑料盒，用坩埚钳取出纸漏斗（除与高锰酸钾接触的一端烧损，其他基本完好无损），倒出其中的熔融物，放在磁铁上能被吸引，说明该反应生成了单质铁。塑料盒用试管刷刷洗后焕然一新，可多次重复使用。
3 改进优点
（1）操作安全：用高锰酸钾氧化甘油，以甘油自燃的方式引燃镁条，这个过程约需20s的时间，操作者有足够的时间将整个装置用塑料盒罩住，根本无需使用石棉手套；用作反应装置的纸漏斗周围用沙子填埋固定，简单安全；而剧烈的反应在几乎封闭的塑料盒中进行，师生可以近距离观察实验现象。塑料盒还减弱了燃烧强光对眼睛的伤害，相当于戴上了护目镜的效果，整个过程无任何安全隐患。
（2）微型、绿色、低碳、环保：使用实验室最小尺寸直径7cm的圆滤纸，方便易得，药品用量几乎减小到苏教版教材的的十分之一，甘油用量仅需5滴即可；而引燃甘油产生的CO2气体，一部分与镁条反应，多余的部分被塑料盒壁的NaOH溶液吸收，除此之外，塑料盒壁的溶液还有利于烟尘的沉降；塑料盒罩住整个反应装置，减少了大量烟尘外逸污染环境。
（3）仪器可多次重复使用：笔者为验证该实验的可操作性，重复操作超过十五次，蒸发皿及塑料盒均无任何损伤。
（4）装置简约，材料易得，适宜推广.塑料盒、小喷雾器均为生活中常见的废弃物，易获得、易制作，其余均为实验室常见仪器，无需很多成本。整个装置小巧、轻便、易携带，易推广。结合上述优点，可以将该演示实验改为学生分组实验。
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更新时间：2025/3/14 23:30:09