书城科普读物动手做实验丛书--金属实验改进设计实践
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第7章 关于金属铝的实验操作和改进(1)

铝制器皿的使用

日常生活中化学无处不有,如果懂得它,就会提高你的生活能力,河南张婕老师介绍了铝制器皿的使用与维护。

银光闪闪的铝制器皿让人赏心爱不释手;可是时间一长,内外壁就变黄。有的人为保持器皿清洁美观,用砂纸把它擦得光亮如初。殊不知,这不必,且有害而无利。用久了的器皿发黄,是正常现象。因为,铝是较活泼金属,与空气接触的部分就和空气中的生氧化反应,生成一层致密的氧化保护内部不再继续氧化。这是有利的氧化,与铁生锈是不同的。如果用砂它擦亮,就破坏了氧化膜,使金属铝外露,又和氧化或水起反应,长出毛的氢氧化铝细丝。

2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2↑从而缩短其使用寿命。还有:用砂纸磨擦时,被磨掉的金属铝粉末会透过而进入人体(微量),造成危害。因此,用砂纸擦铝盆是不科学的。为了保洁,可用肥皂水擦洗。

如果留心,你会注意到,新买的铝锅铝壶用来烧水时,被水淹没的地变灰变黑。不要怕,这灰黑的物质是金属铁,对人体有利而无害。你又会“铝锅里又没煮铁,哪来的铁呀?”这铁确实是煮出来的。因为饮用水中通有微量铁盐,由于这时铝锅没有氧化膜,外露的金属铝与铁发生置换反应AL+Fe3+=AL3++Fe↓产生的单质铁附着在内壁,使内壁变灰黑。

久用的铝壶、铝锅的底部会蒙上厚厚一层碳黑,有人认为这层碳黑又影响热传递,就用砂纸把它擦掉。其实这层碳黑有利于热辐射。有人做过实验,一只铝壶底部涂黑,另一只底部不涂黑,同时放在炉火上烧开水,涂黑的比没涂黑的要节省三分之一的时间。

有人图方便,把剩的饭、菜放到铝锅内过夜,岂不知,饭菜大多显微酸性或微碱性,而铝是典型的两性元素,氧化铝会和酸或碱反应,氧化膜被破坏了,金属外露,长此以往,铝锅就会被腐蚀。

人们凭经验都知道,铝制品不能久盛咸的食物。这是为什么呢?因为Cl-性剂,容易被吸附形成吸附化合物,并生成AlCl3溶于水。氧化膜被破坏,把铝制器皿腐蚀。

铝化合物的两性

人们最常见的氧化铝有两种变体:α-Al2O3和γ-Al2O3。α型性质稳定,不与酸或碱反应;γ型能与酸或碱反应。在温度为450℃时,加热氢氧化铝或铝铵矾,可得到γ-Al2O3。若在1000℃以上加热,便可得到α-Al2O3。市售的氧化铝大多数是α-Al2O3。为了演示Al2O3的两性,我们制备了γ-Al2O3。

试剂和仪器制备γ-Al2O3将硫酸铝溶于水,配制成3%的溶液。向其中加入浓氨水,则析出白色沉淀。过滤、洗涤、干燥。将沉淀放入瓷蒸发皿中并用酒精灯加热,或放在瓷坩埚中在450℃的马福炉内灼烧2小时,则得到γ-Al2O3。

6mol/LNaOH溶液,6mol/L盐酸,大理石,启普发生器等。

演示方法氧化铝的两性取05克粉状的γ-Al2O3两份放于两支试管中。在一支试管中滴加6mol/L的NaOH溶液,加热2分钟,则沉淀溶解。向另一支试管中加入6mol/L盐酸,加热约2分钟,则沉淀溶解。

氢氧化铝的两性在试管中加入2ml3%的Al2(SO4)3溶液,逐滴加入6mol/L的NaOH溶液,边加边振荡,则析出白色Al(OH)3沉淀。将沉淀分成两份。在1份中加入过量的6mol/LNaOH溶液,则沉淀溶解。然后,向其中通入二氧化碳。约5分钟后又析出白色Al(OH)3沉淀。其反应方程式是[Al(OH)4]-+CO2Al(OH)3↓+CO32-+H2O或2AlO2-+CO2+H2O2Al(OH)3↓+CO32-在另一份中滴加6mol/L的盐酸,边加边振荡,则可看到沉淀溶解。

由以上实验现象可知,Al2O3和Al(OH)3均可与酸或碱反应。故二者均显两性。

铝粉与氧化铜的反应

在演示了铝和氧化铁反应的实验后,建议增加铝和氧化铜反应的实验。把2克铝粉和6克氧化铜粉混和均匀,放入浸湿的滤纸折成的漏斗(底部剪一小孔)里,滤纸置放在铁架台铁圈上,滤纸下面放一块白瓷砖,再在铝热剂上放一些引燃剂,混和均匀的氯酸钾和蔗糖,然后用胶头滴管吸少量浓硫酸,滴在引燃剂上,反应就迅速发生。反应后,可在白瓷砖上看到被还原出来的紫红色的铜。

由于铝和氧化物反应都能放出大量热量,所以滤纸一定要浸湿,药品不可太多,并在滴了浓硫酸之后,要退后两三步,以确保安全。

铝与水反应实验的改进

铝与水反应的实验出现在高中化学(必修)第一册中,由于这个反应发生的条件是将水加热至沸腾,这样产物之一氢气就与大量水气一同逸出,因而在试管口点燃时就不能发出爆鸣声;在反应后的混和物中加入几滴酚酞指示剂时,也不变红(因产物AI(OH)3的水溶液碱性极弱)。这样就无法以明显的现象说明此反应的发生。稍作些改进。

操作方法

在20mm×200mm试管中加入约5ml水,投入几块用砂纸打光的铝片,塞上带玻璃弯管的胶塞,将弯管的另一端插入到盛有约180ml洗衣粉水的烧杯(200ml)中,然后将试管加热至管中的水沸腾,此时在小烧杯中液面上会不断产生许多洗衣粉泡,当用燃着的木条去点它时,可发出爆鸣声(因同时逸出的水汽已被冷凝),这样就可证明反应中产生了氢气。

几点说明

(1)使用这种装置还可做镁与水反应的实验;撤去酒精灯后,可做金属与酸反应产生氢气的实验、钠与水反应及钠与无水乙醇反应的实验等。

(2)使用这种装置,现象明显,操作安全,可重复操作。

铝与氢氧化钠溶液反应的实验设计

现行高二化学课本第二章第二节中,介绍了铝能与氢氧化钠水溶液反应放出H2这一性质。

为此,广东省东莞中学朱忠明老师在教学过程中尝试着补充了一个演示实验。此实验操作简单方便,现象直观,对学生掌握这一性质有较好的效果。具体操作如下:

①带小孔的橡皮隔块,②带玻璃导管的橡皮塞,③橡皮导管,④止水夹,⑤尖咀玻管,⑥U形管,⑦铁架台(1)按图安装好仪器,夹紧止水夹。

(2)拔下橡皮塞,在隔板上放几粒铝片;从U型管高的一端倒入30%的氢氧化钠溶液,至液面平另一端顶部。

(3)塞紧橡皮塞,提示学生注意观察液面变化。

(4)待液面脱离隔块时,松开止水夹,点燃所放出的气体,观察火焰颜色。

(5)火焰熄灭后再夹紧止水夹。

实验现象简单描述:加入氢氧化钠溶液后,U形管两边液面发生变化(长端液面上升,短端液面下降)。说明已发生了反应,并且产生了一种不溶于水的气体。待液面脱离隔板后,反应自行停止。打开止水夹点燃气体时,首先有轻微爆鸣声,然后观察到浅蓝色火焰;这一现象足以说明所产生气体为氢气。最后引导学生写出该反应的化学方程式:

2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑该实验的优点:①装置简单;②操作方便,通过打开和夹紧止水夹这一简单操作,便可使反应随时发生,随时停止,反复进行;③现象非常直观、明显,有利于学生观察和对铝这一性质的理解和掌握。

Al2(SO4)3和Na2CO3溶液反应实验的改进

Al2(SO4)3和Na2CO3溶液反应的实验目的是验证盐的水解在盐溶液反应中的应用,实验所要得到的正确现象是有白色沉淀和气泡生成。我们按教材中的实验步骤及用量去做,得到的实验现象是有少量气泡和白色沉淀生成,但在振荡试管或稍加热的情况下,白色沉淀马上溶解。这样达不到实验目的,为达到实验预期的目的,找出Al2(SO4)3和Na2CO3两者反应最佳体积比,沈阳市辽宁省水利学校杨立军、张金海老师做了下面的探讨实验。

③将上述反应得到的白色沉淀离心分离后,倾去清液,沉淀用纯水洗涤数次后向其中滴加Al2(SO4)3溶液并振荡,发现白色沉淀溶于一定量的Al2(SO4)3溶液中。

实验现象分析及结论:

Al2(SO4)3溶液与Na2CO3溶液之间的反应,是两种盐溶液间双水解互相促进的反应,反应方程式为:

Al2(SO4)3+3Na2CO3+3H2O=2Al(OH)3↓+3Na2SO4+3CO2↑1mol∶3molCVAl2(SO4)3∶CVNa2CO3反应生成的白色沉淀为Al(OH)3,它是种两性氢氧化物,其碱性强于酸性,所以Al(OH)3不仅能溶于强碱溶液和酸中,而且还能溶于一定量的显酸性的盐溶液中。Al2(SO4)3溶液水解显酸性,其pH值约等于3左右,所以Al(OH)3溶于一定量的Al2(SO4)3溶液中。

从上述反应方程式看出,两者完全反应的物质的量之比为:nAl2(SO4)3∶nNa2CO3=1∶3,当两者浓度相同时,其体积之比亦为:VAl2(SO4)3∶VNa2CO3=1∶3。在上述实验1中,开始时Al2(SO4)3过量较多,生成的Al(OH)3沉淀振荡马上溶解,当加入的Na2CO3达到或超过35毫升时,所生成的Al(OH)3沉淀才不溶解。在实验2中,开始时Al2(SO4)3是不足量的或过量很少,生成的沉淀不溶解,当Al2(SO4)3的量超过10毫升时,反应生成的Al(OH)3沉淀开始溶解。综合上述分析,本实验达到预期的实验目的,Al2(SO4)3和Na2CO3两溶液反应的最佳体积比应控制在VAl2(SO4)3∶VNa2CO3≤1∶2。

对于Al2(SO4)3和Na2CO3的浓度均为1mol/L或001mol/L时,我们也同样做了试验,上述结论也是适用的。

铝粉在空气中燃烧的实验

高中化学在镁和铝的性质一节讲了把铝粉放在氧气里加热,铝能燃烧,放出大量的热,同时发出耀眼的白光。若在空气中,只要是在高温下,铝也能发生这样剧烈地变化。如果在这里能演示铝粉在空气中燃烧的实验,将增加学生的感性认识,强化教学效果。四川中江城关职业中学涂忠诚老师介绍方法如下:

剪取一块约25厘米见方的薄铁片,将它放在木板上,用铁钉和榔头在其中央部分均匀地敲钻约30个小孔,使之成为细网状,然后点燃酒精灯,用坩锅钳夹住铁片一角,取一药匙铝粉(最好是化工油漆商店出售的那种)轻轻堆放在铁片中央,再把铁片放在酒精灯上加热,待铝粉中开始红热燃烧时移开酒精灯,这时反应产生的热使铝粉继续剧烈的燃烧,放出大量的热,同时发出耀眼的白光,现象非常明显,学生也很感兴趣。

待铁片冷却后,可让学生观察铝片与空气中氧气反应生成的白色氧化铝粉末,并翻过铁片让学生观察反应放出大量的热,已使铁片中央熔化。

注意:加热要用火焰较大的酒精灯,不然会导致实验失败。

利用铝质牙膏壳制取明矾

基本原理

利用铝与NaOH反应,而多数金属不能与NaOH反应,以此来除去牙膏壳中的其它金属杂质。

2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑并用饱和NH4HCO3溶液代替CO2与NaAlO2溶液反应制Al(OH)3。

NaALo2+NH4HCO3+H2O△Al(OH)3↓+NH3↑+NaHCO3然后将Al(OH)3沉淀与H2SO4反应制Al(SO4)3,并在K2SO4晶体存在下经过加热冷却饱和溶液就可制得明矾。

2Al(OH)3+3H2SO4=Al(SO4)3+6H2O;Al2(SO4)3+K2SO4+24H2O加热冷却K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O操作

(1)制备NaAlO2

取小号铝质牙膏壳一支,剪开洗净,剪成小块。称NaOH固体6-7克于500毫升烧杯中,加入40毫升温水溶解,趁热分数次加入牙膏壳。盖上表面皿,牙膏壳溶解后,抽滤。

(2)Al(OH)3沉淀的生成与洗涤

将上述滤液加热至沸,在不断搅拌下慢慢加入NH4HCO3饱和溶液,使溶液的pH值降为8-9,将沉淀煮沸数分钟,静止,抽滤。将沉淀转入500毫升烧杯中,加入350毫升热水,煮沸,搅拌,静置,倾去清液。如此洗涤3-4次,再用热水洗2次,再次抽干。

(3)制Al2(SO4)3溶液

将Al(OH)3沉淀转入250毫升烧杯中,加入约100毫升蒸馏水,边搅拌边滴加浓H2SO4至pH值为2-3,液体呈半透明的胶状。

(4)制明矾

将上述液体转入蒸发皿,加热近沸腾,再加入8克研细的K2SO4晶体,加热到完全溶解,并蒸发浓缩到70毫升,静置,自然冷却,第二天可得大块明矾晶体。

制备纯净氢氧化铝的实验方法

高中化学教材演示实验制备纯净的氢氧化铝。江苏省锡山市八士中学陈忠老师认为采用如下的方法可以大大简化按课本上的操作步骤,而且取得了很好的实验效果。

实验装置

取一支两端开口的玻璃管约15厘米长,在一端距管口约02厘米处塞上表面贴有滤纸的多孔塑料板,管口用橡皮塞封好。

实验方法

(1)在此装置中加入约3mL05mol/L的Al2(SO4)3溶液,并向此溶液中滴加氨水,直到不再产生沉淀为止。

(2)把底部的橡皮塞打开,就变成了过滤装置,用蒸馏水冲洗沉淀2-3次。

(3)把塑料板取出,即可得到滤纸上的纯净的氢氧化铝。(可在塑料板下方栓一根线以便取出塑料板)第一章关于铝热反应的实验操作和改进

介绍几种铝热实验的引火材料

高中化学课本中,氧化铁与铝粉的铝热反应,书上用过氧化钡和镁条作引火材料,湖南常德八中龙占利老师介绍几种引火材料,各校可根据本校的条件选择其中之一来用:

氯酸钾、蔗糖、过氧化钠、水