鈉、鋁、鐵與氧氣反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究及思考

邢泰宇

摘要：按人教版化學(xué)教材中鋁的燃燒、鐵的吸氧腐蝕等實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象不夠明顯。本探究實(shí)驗(yàn)從化學(xué)反應(yīng)原理出發(fā)，以鈉、鋁、鐵與氧氣反應(yīng)為例，通過(guò)增大反應(yīng)物接觸面積、增大反應(yīng)物濃度以及升高溫度等改進(jìn)措施，促使化學(xué)反應(yīng)速率加快，反應(yīng)現(xiàn)象更明顯，便于學(xué)生觀察和理解，提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：鈉、鋁、鐵與氧氣反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2015）8–0046–02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

宋心琦教授主編的人民教育出版社出版的化學(xué)教材《化學(xué)1》（必修）中加熱鋁箔的實(shí)驗(yàn)[1]，因?yàn)殇X極易與氧氣反應(yīng)，形成氧化膜保護(hù)了內(nèi)層的鋁，使得鋁與氧氣的進(jìn)一步反應(yīng)難以進(jìn)行，學(xué)生對(duì)比初中鐵在氧氣中燃燒的實(shí)驗(yàn)，易形成鐵比鋁活潑的錯(cuò)誤印象?！痘瘜W(xué)反應(yīng)原理》（選修4）中鐵的吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)[2]，由于試管中氧氣含量較少，反應(yīng)速度較慢，在短時(shí)間內(nèi)很難看到明顯現(xiàn)象，若教師在課堂演示會(huì)占用較長(zhǎng)時(shí)間，影響教學(xué)效果。針對(duì)以上部分金屬與氧氣反應(yīng)的速率較慢問(wèn)題，本文從化學(xué)反應(yīng)原理角度出發(fā)，以增大鋁、鐵等金屬的表面積，增加氧氣濃度，適當(dāng)提高反應(yīng)溫度等措施，改進(jìn)教材中相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

1 扇風(fēng)點(diǎn)火——鈉的燃燒

1.1 實(shí)驗(yàn)用品

鈉；鑷子、玻璃片、濾紙、小刀、硬質(zhì)玻璃管、酒精燈、鐵架臺(tái)、硬紙板

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

①將兩端開口的硬質(zhì)玻璃管水平固定在鐵架臺(tái)上，如圖1所示。②用鑷子取出一小塊鈉，放在玻璃片上，用濾紙吸干表面的煤油，再用小刀迅速地切掉鈉表面的氧化層，取一小粒放入硬質(zhì)玻璃管內(nèi)。③點(diǎn)燃酒精燈并加熱硬質(zhì)玻璃管，當(dāng)看到鈉變成銀白色小球時(shí)，熄滅酒精燈，再用硬紙板對(duì)著硬質(zhì)玻璃管管口扇風(fēng)。

現(xiàn)象：熄滅酒精燈后，用硬紙板扇風(fēng)，鈉劇烈燃燒，呈現(xiàn)黃色火焰，并且扇風(fēng)的力度不同，黃色火焰的大小也不同，最后生成淡黃色固體。

解釋：對(duì)硬質(zhì)玻璃管管口扇風(fēng)，加快玻璃管內(nèi)空氣流動(dòng)，提高了鈉與氧氣反應(yīng)的速率，使反應(yīng)現(xiàn)象更劇烈。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖

鈉的燃燒實(shí)驗(yàn)速率本身較快，但相較于人教版《化學(xué)1》第47頁(yè)實(shí)驗(yàn)3-2[3]，“扇風(fēng)點(diǎn)火”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可加深學(xué)生對(duì)鈉與氧氣反應(yīng)的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)又增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

2 鋁的燃燒

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

鋁粉；藥匙、濾紙、坩堝鉗、酒精燈、含氧氣的集氣瓶

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)1：①用藥匙取鋁粉少許置于燃著的酒精燈上方，兩者要相隔適當(dāng)距離。②用另一只手輕拍持藥匙的手的手腕，使極少量的鋁粉落在酒精燈的火焰上。

現(xiàn)象：酒精燈火焰變大，鋁粉劇烈燃燒，發(fā)出耀眼的白光。

解釋：鋁粉與空氣的接觸面積大，酒精燈外焰溫度高，鋁與空氣中氧氣劇烈反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)2：①先將鋁粉與適量的膠水混合，均勻涂在濾紙上，晾干備用。②再將晾干的濾紙剪成條狀，制成含鋁粉的濾紙條，如圖2所示。③用坩堝鉗夾取濾紙條，在酒精燈上點(diǎn)燃后伸入含氧氣的集氣瓶中。

現(xiàn)象：劇烈燃燒，發(fā)出耀眼的白光。

解釋：集氣瓶中氧氣濃度高，鋁粉與氧氣的接觸面積大，鋁與瓶中氧氣劇烈反應(yīng)。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖

鋁粉和濾紙是實(shí)驗(yàn)室常規(guī)用品，只需簡(jiǎn)單加工就能使用，并且增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)效果；使用含鋁粉的濾紙條，相比人教版化學(xué)1第48頁(yè)實(shí)驗(yàn)[4]，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給學(xué)生感官刺激更強(qiáng)烈。

3 鐵的吸氧腐蝕

3.1 實(shí)驗(yàn)用品

鐵粉、石蕊溶液、飽和食鹽水、H2O2溶液、MnO2；具支試管、自制細(xì)U型導(dǎo)管、止水夾等

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

①按圖3組裝好儀器[5]。關(guān)閉止水夾，向自制細(xì)U型導(dǎo)管中加入紫色石蕊溶液，至U型導(dǎo)管右端液面高于左端，觀察一段時(shí)間后兩端液面高度差保持不變，表明裝置氣密性良好。②將滴有飽和食鹽水的含鐵粉的濾紙條（制作方法與圖2所示一致）放入具支試管中。③打開止水夾，調(diào)節(jié)U型導(dǎo)管兩端液面相平，再關(guān)閉止水夾，觀察現(xiàn)象。④另取一支具支試管，收集一試管氧氣（可用H2O2溶液和MnO2反應(yīng)制?。?，將滴有飽和食鹽水的含鐵粉的濾紙條放入具支試管中，組裝好儀器。⑤重復(fù)操作③，再觀察現(xiàn)象。⑥重復(fù)操作③可多次觀察現(xiàn)象。

現(xiàn)象：用空氣實(shí)驗(yàn)，可看到U型管左端液面升高，右端液面下降，短時(shí)間內(nèi)兩端有明顯液面差；用氧氣實(shí)驗(yàn)，相同時(shí)間內(nèi)U型管兩端液面差比前者大；幾分鐘后，兩實(shí)驗(yàn)的濾紙條上都有紅褐色的物質(zhì)產(chǎn)生，都說(shuō)明了鐵吸氧腐蝕的發(fā)生。

解釋：鐵與試管中的氧氣發(fā)生了吸氧腐蝕反應(yīng)，減小了試管內(nèi)氣體壓強(qiáng)，大氣壓將U型導(dǎo)管右端的石蕊溶液壓到左端，形成液面差。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意圖

使用自制的細(xì)U型導(dǎo)管及紫色石蕊溶液，相比人教版《化學(xué)反應(yīng)原理》第85頁(yè)實(shí)驗(yàn)[6]，液面的升降現(xiàn)象對(duì)比明顯，便于觀察。而且只需要打開止水夾調(diào)節(jié)液面重新相平，便可多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)用性強(qiáng)；用氧氣和空氣做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，液面差變化快慢和高低不一樣，充分說(shuō)明氧氣參與了電極反應(yīng)；鐵粉表面積大，增大了鐵與氧氣的接觸面積，氧氣濃度的增大，均加快了鐵吸氧腐蝕的速率，實(shí)驗(yàn)可在短時(shí)間內(nèi)完成。

以上幾個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，將金屬箔片等制成粉末狀，增大了金屬與氧氣的接觸面積；加快空氣對(duì)流或直接增加氧氣的濃度，增加了單位體積內(nèi)活化分子的數(shù)目[7]；升高溫度，加快了反應(yīng)物分子的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)增加了活化分子的百分?jǐn)?shù)[8]。這些措施都在一定程度上增加了單位時(shí)間、單位體積內(nèi)反應(yīng)物分子的有效碰撞的頻率[9]，導(dǎo)致反應(yīng)速率加快。

綜上所述，利用身邊廉價(jià)易得材料，應(yīng)用化學(xué)知識(shí)，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)做合理改進(jìn)，在滿足實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和安全性的同時(shí)，又提高了實(shí)驗(yàn)的效率和趣味性，是一種不錯(cuò)的嘗試。

參考文獻(xiàn)：

[1][3][4]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1（必修）（第三版）[M].北京：人民教育出版社，2007：47～48.

[2][6]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)反應(yīng)原理（選修4）（第三版）[M].北京：人民教育出版社，2007：85.

[5]孫旭.新課程高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)全解[M].武漢：湖北教育出版社，2014：158～160.

[7][8][9]曹錫章等.無(wú)機(jī)化學(xué)（上冊(cè)）（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1994：287～295.