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8章 关于金属铝的实验操作和改进(2)

把干燥的氧化铁粉末5克和铝粉2克混和均匀,放在耐火坩埚或自制的反应容器(纸漏斗、泥坩埚)里,在混和物的上面放混和均匀的氯酸钾、过氧化钠、蔗糖,将水滴入上层的引燃剂里。由于过氧化钠与水反应放热和产生氧气,使引燃剂燃烧起来,促使氧化铁与铝粉反应。

高锰酸钾与甘油

将氧化铁粉剂与铝粉混和均匀后装入反应器内,在铝热剂上压出一小穴,在穴中放入一些研细的高锰酸钾粉末,再滴3至5滴甘油,随即用周围的铝热剂掩盖。反应很快就发生。

氯酸钾和铝粉

将氧化铁粉末和铝粉的混和物装入反应器后,用试管底略将其压紧,中心挤压出一小穴,穴里装填干燥的氯酸钾粉末和铝粉的混和物作引燃剂,向其中插入引线(普通炮竹引线或用纸卷上述引燃剂作引线)或镁条,实验时,只需点燃引线或镁条即可。

氯酸钾、蔗糖、浓硫酸

在铝热剂堆顶放置氯酸钾和蒸糖(研细后的市售白糖亦可)的混和物,用滴管向引燃剂上滴三至五滴浓硫酸,反应即可发生。

氯酸钾、无水乙醇

在铝热剂堆顶放置氯酸钾后,用滴管向氯酸钾上滴无水乙醇约一毫升,迅速点燃无水乙醇,当乙醇燃烧到一定程度后,氯酸钾也参加反应,放出大量的热,随即引起氧化铁粉末与铝粉反应。

氯酸钾与火柴头

在铝热剂的堆顶部集中放置体积相当于蚕豆大小的氯酸钾晶体,再在氯酸钾晶体上放三至五个火柴头。用火柴把火柴头引燃,火柴头猛烈燃烧,铝热反应也随即发生。

介绍这些引火材料,不仅有利于实验条件差的学校做好这个实验,同时,采用学生熟知的氯酸钾、蔗糖、过氧化钠、高锰酸钾、甘油、浓硫酸、无水乙醇、水、火柴头代替镁带和学生陌生的过氧化钡,有利于学生熟练地掌握氧化剂氯酸钾、过氧化钠、浓硫酸以及还原剂甘油、蔗糖、无水乙醇等的性质,使学生进一步了解火柴头的药剂成分和用途,也为学生以后学习蔗糖和乙醇、甘油等的性质创造条件。这里还有一个优点是:

如教材所述用镁带点燃后引起铝热反应发生,由于镁带燃烧产生强烈的白光,已经对学生眼睛有很大的刺激,铝热反应也产生强烈的白光,这样学生实际上不能在观察镁带燃烧后,再继续观察铝热反应发生后所产生的现象。而这里介绍的几种方法,可使学生观察到引燃剂的点燃到铝热反应发生至结束的全过程。这就大大减少了强光对学生眼睛的刺激,保护了学生的视力,也加深了学生对铝热反应发生的条件(必须是在高温下才能发生)的理解。另外钡的化合物除硫酸钡外都是有毒的,用这里介绍的引火材料作引燃剂比用过氧化钡和镁带作引燃剂对环境的危害要小得多。

演示铝热反应

在教学中有人对铝热反应演示实验作了如下改进。

在一块小泥砖上挖一小坑,坑的两边各挖一小槽(如图一所示)。实验时将两截细铁丝对接平放在小槽内,接头位置在小坑中。小坑内放入7克铝热剂(5克氧化铁粉末和2克铝粉的均匀混和物),在铝热剂里再刨一个小凹坑,内装半角匙高锰酸钾粉末。演示时用滴管将两滴丙三醇滴在高锰酸钾上面。由于高锰酸钾与丙三醇发生缓慢氧化作用,放出的热量不断积蓄,一分钟内丙三醇自燃,产生较高的温度,从而引起铝热剂发生剧烈反应,火花飞溅,小泥砖上鲜红的铁水珠满教室可见。冷却后细铁丝还可能接在一快。

铝热反应实验的改进

高中化学演示实验《铝热反应实验》中,用镁条来引发反应常常难于成功,为此河南省邓州市二高中陈定国老师作了以下改进。

实验步骤

用三层废烟纸折成漏斗(用一次即报废),用订书针钉牢,底部剪一小孔,孔内放一小棉球(防止铝热剂下漏),将铝热剂装入漏斗中,铝热剂的中央挖一约15厘米左右的凹穴,放入引燃剂。然后,把漏斗置铁架台的铁圈上,下面放一盛砂的瓦片,砂中挖一小窝,其底部放二、三个细铁钉(无锈的)。实验时,只要点燃引燃剂,铝热反应就迅速而剧烈地进行,并发出刺目的强光,火花飞溅,同时炽热的铁水从漏斗下流出,溅落到砂窝内的铁钉上,使铁钉熔焊在一起。

几种引燃剂的配制方案

(1)滴入二三滴浓硫酸就可引燃的几种引燃剂

a氯酸钾、硫粉、淀粉以约3∶15∶1的比例所合成的混和物。b氯酸钾、蔗糖以1∶1的比例所组成的混和物。c高锰酸钾、硫粉以2∶08的比例所组成的混和物。d将安全火柴头刮下(约10根),集在一起,研为粉末。

(2)用火柴点燃的几种引燃剂

a氯酸钾和镁粉以约2∶1的比例所成的混和物。用棉花包成棉球,可半埋铝热剂中。b氯酸钾和铝粉以约2∶1的比例所成的混和物,也用棉花包成棉球,半埋铝热剂中。

如何做好“铝热剂”实验

铝是一种活泼金属,它同氧化合生成Al2O3时有很高的生成热(399kcal/mol),因而金属铝在干态时也有强烈的亲氧性质,表现为一种强的还原剂,能够从许多金属氧化物中把相应的金属取代出来。“铝热反应”便是一个极好的例证。

铝热反应就是铝和氧化铁在较高温度下反应生成氧化铝和液态铁,用化学方程式表示:

2Al+Fe2O3=2Fe+Al2O3+热量由于反应放出大量热,温度可达2000~3000℃。故称铝粉和氧化铁的混和物为“铝热剂”。高中化学课本的“铝热剂演示实验要求用耐火坩锅(一般中学没有)。如用普通坩锅,在演示实验中常因反应温度高,坩锅局部受热而炸裂,且实验过程中生成的铁拌在反应后的混和物中,现象不太明显。教参上的“铝热剂”实验装置也有其短处,如何做好“铝热剂”实验,是个值得讨论的课题。江苏连云港市猴嘴中学杨善德、殷志宁查阅了有关资料,经实验摸索,有下面几点做法:

(1)实验前,先让学生观察铝粉和粉状氧化铁的颜色,并用一块磁铁吸引氧化铁,看到磁铁移近氧化铁,不被吸引,把铝粉和粉状氧化铁混合均匀(质量比Al∶Fe2O3=1∶3)。取混和物2~5克,放入耐火坩锅,(混合物的上面和下面都放些镁粉)再插入一段镁条,并再放少量过氧化钡于混和物上面把坩锅放在带有瓷三角的铁架台的铁环上,点燃镁条,铝和氧化铁剧烈反应生成黑色铁冷却后,把生成物倒在白纸上,用磁铁吸出铁。

(2)如缺乏坩锅,可用包装较好的香烟盒中铝箔来代替。用二至三张铝箔纸剪成园形纸状,然后折成漏斗状,底部同剪一小孔,铝箔纸放在里层,外层用三层水湿润过的滤纸放在铁圈上(要保持内层铝箔干燥),下面放一瓦片(上面放些砂子),承接游离出来的铁水。

把铝粉和氧化铁粉末烘干,混合均匀,装入漏斗状铝箔纸中,并用角匙压紧,然后在中间挖一小孔放入助燃剂,助燃剂应高出铝热剂混和粉末再插入镁条。埋入部分要压紧,以免撅出。点燃镁条,反应剧烈,产生耀眼强光,放出大量热,反应生成的铁熔化从漏斗纸底部小孔流出,滴到瓦片上,湿滤纸产生蒸汽雾,从外部可看见里面呈赤红状,待冷却后,把漏斗状滤纸里层铝箔纸拿出,可看到底部已烧穿,上面有硬块状物质,主要是Al2O3。

3助燃剂除了用过氧化钡,下面几种也可选用:(1)过氧化钠;(2)高锰酸钾和镁粉2∶1混合。(3)KClO3粉末、Al粉、硫粉,质量比9∶3∶1,助燃剂的用量为铝热剂的用量1/5为宜。

实验过程中,因反应温度高,不能把铁架台太靠近前排同学。要使反应进行完全,须把铝热剂拌匀,助燃剂选用KClO3、Al粉、硫粉时,不能共研,只能分别研细后在纸上拌匀,最好现配现用,反应过程中要把其它助燃剂与反应装置隔开,以免发生危险。

有关铝热剂实验的改进

取2克BaO2、15克铝粉和05克KClO3混合均匀作为引火剂。用两张定性滤纸折成漏斗状浸湿代替漏斗(洞口要大一些),再用另一张小白纸(不吸水的起隔水作用,其大小跟滤纸一样)和一张定性滤纸也折成漏斗状(洞口较小些),重迭在湿的纸漏斗外面,把纸漏斗放在铁圈的中间架空,下面放一个砂盘,以接反应产生的铁水和铁渣。

把氧化铁和铝粉按各3克的重量比混合成的铝热剂放在湿的纸漏斗里,面上铺以引火剂,然后将擦净的长4厘米的镁条在酒精灯上点燃后插入引火剂中,瞬间可见反应猛烈进行,发出耀眼的强光。生成的熔化的小铁珠从纸漏斗底部四处飞溅;较大的铁珠从漏斗中流出,落入砂盘,为安全起见,这个演示实验必须远离学生,在实验器附近切忌放置易燃物品。

铝热剂实验的改进

各类教材中铝热剂的实验都要求在耐火坩埚中操作,由于有些实验室常缺少耐火坩埚,商店也不易买到,因此西安消防指挥学校赵瑜老师将铝热剂实验作如下改进。

用包装较好的香烟盒中的铝箔两张剪成和定性滤纸同样大小的圆状;然后分别折叠成漏斗状,底部同剪一个黄豆粒大的孔;再把滤纸折成的“漏斗”用水浸湿后放在铁圈上并固定在铁架台上,然后在滤纸“漏斗”内层垫上铝箔漏斗,注意保持内层名箔纸的干燥;在“漏斗”

下面的桌面或地板上要放上沙盘,用以接收由“漏斗”流出的铁水。

在托盘天平上分别称取35克铝粉(颜料店买的银粉即可)和10克三氧化二铁粉末,充分混合均匀后放入“漏斗”之中,并用角匙轻轻压实,然后在中央挖一小坑,在坑内放三分之一角匙固体高锰酸钾,再往高锰酸钾上滴2~3滴丙三醇,实验人员远离,40秒钟左右可观察到丙三醇和高锰酸钾反应后引燃,引起铝粉和三氧化二铁剧烈反应,熔化的铁水等流入沙盘,冷却后用磁铁吸引,证明确有铁生成。

如改用四氧化三铁,则称取35克铝粉和65克四氧化三铁粉末充分混合后即可。

此改进实验的优点是:原料易得,操作简便,现象明显,具有很强的吸引力。此外用丙三醇和高猛酸钾引燃不用点火,比用点燃镁条和过氧化钡引燃效果更佳。

此实验应注意药品干燥。

铝热法实验的改进

用两张13cm的圆形氧化铝砂布或砂纸分别叠成漏斗状(铁皮做的漏斗反应慢,硬纸板做的漏斗反应又太快,笔者多次实验,以砂布或砂纸为宜)。两只砂布漏斗三层与一层的一边互相套在一起,使漏斗的四周皆为四层。将内层的砂布漏斗取出,在底部剪一个圆孔,再与另一只套在一起,用订书钉将砂布漏斗的四层订紧,架在铁架台的铁圈上。下面放置一盛水的铁水槽,槽中间铺一层薄沙土。

用缝衣针将正六面体的小块钾穿在细尼龙线上,线的下端打一个结,使其不易掉下,线的上端缝在砂布漏斗底部壁上。

按质量约3∶2的比例将氧化铁和铝粉混和均匀(12克氧化铁与8克铝粉为宜,可根据演示实验场地大小变化,按比例相应增加或减少),放在砂布漏斗内,上面铺约8克研细的氯酸钾粉末,以盖住混和物面为宜。

将二至四根镁条扎成螺旋状一束,最好用坩埚钳夹住,一头在酒精灯上点燃,另一头立即插入药物中(演示者迅速站开几步即可)。反应即刻发生,砂布漏斗被燃烧,线烧断,钾掉入水中又发生剧烈反应。产生明亮的火光,并有火花飞溅和爆炸声,水面上火球浮游,蘑茹状烟云弥漫。反应完毕后,用坩埚钳取出铁水槽沙土中的铁块,冷却,除去表面的熔渣,可用马蹄形磁铁把铁块吸起来。

此实验改进后,由于药物与砂布漏斗可随场地改小,危险性减少,而且反应后的现象极像核爆炸的某些外观景象:强光→火球→闷爆炸声→蘑茹状云→放射性落下灰,趣味性增强,受到同学们的欢迎。此实验可作为无机化学教学与高中化学教学演示实验用,也可作为模拟原子弹实验,化学课外活动,趣味化学晚会活动及初中“三防”课用。

铝热法回收银

白银是一种贵金属,用途十分广泛。随着现代科学的飞速发展,银的消耗量越来越大,这样使得本来就十分有限的资源变得更为紧缺,从含银废液中回收银不但可以使资源得到再利用,而且可减少含银废液对环境的污染,所以对这项工作的深入研究是十分有意义的。湖南衡阳师专化学系屈景年老师介绍铝热剂还原法提银的方法具有操作简单、几乎不需要设备投资、不受条件限制和经济快速的特点。

基本原理

铝热法是用铝粉作还原剂的一种金属热还原法,当铝粉与金属氧化物起反应时产生大量的热量,使被还原出来的金属熔化而与氧化铝溶渣分离。例如:

2Al+Fe2O3高温Al2O3+2Fe+Q由热化学方法计算该反应可放出热量8476kJmol-1足以使还原出来的铁熔化。在银的回收中,主要是利用银的硫化物或卤化物溶解度小的特点将银从废液中沉淀出来,然后在高温条件下进行还原,这种高温条件也可用铝热法来达到的。

2Al+3Ag2S高温6Ag+Al2S3+Q反应热为6274kJ·mol-1,可满足热还原条件。而且副产物Al2S3溶于水便于产品分离。

操作步骤

(1)硫化银提取

将含银废液用氢氧化钠溶液的PH值调节在75~85左右。硫化钠溶液的配制:在1升70℃的水中加入含结晶水的硫化钠240克,充分搅拌使之完全溶解。在每升碱性废液中加入8~10毫升硫化钠溶液。并不断搅拌,使完全反应。静置24小时,用引流法或虹吸管吸出上层清液,然后把稠厚的银泥用平纹布过滤放到瓷盘上用日光晒干或烘干。

(2)铝热法还原

把干燥的硫化银用研钵研成细粉,按重量比为1∶10的比例加入铝粉充分混合均匀,装入用耐火泥自制的坩埚中,反应物的表面上覆盖一层木炭粉,插入一段光亮的镁带,并在镁带周围加入少许氯酸钾,点燃镁带反应便剧烈进行(反应十分剧烈,点燃镁带后,人应立即离开反应器),反应完成后用水洗涤产物,除去副产物和悬浮的杂质,便得到纯度较高的银。