铝热反应实验的微量化设计

张址欣+冉鸣

摘要：现行教材设计的铝热反应课堂演示实验存在诸多弊端，其中安全隐患和不便观察是主要问题。针对这些问题，对该实验的反应装置、点燃剂，尤其是反应试剂的用量配比和微量化进行了优化改进，使其达到了课堂演示实验对反应现象的要求，方便了操作，防止了环境污染。

关键词：实验装置优化；铝热反应；微量化实验

文章编号：1005–6629（2017）10–0064–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 研究背景

铝热反应实验作为高中重要實验之一[1]，因其涉及众多化学核心知识，所以经常作为教学的演示实验。根据中学化学教科书中的实验方案（如人教版[2]，鲁科版[3]）进行演示，其起火发光的现象虽然明显，且具观赏性，但也存在一些问题：（1）镁条燃烧时产生强光对眼睛有伤害，并干扰实验现象的观察；（2）镁条点燃后，温度极高，插入反应物中使得反应剧烈，火星四射、熔化物飞溅，这对实验操作者存在严重安全隐患。基于此，现在很少有教师在课堂中演示该实验，一般通过播放视频来讲解实验原理。

近几年已有许多学者对该演示实验进行改进，但其中有些方案仍然存在不少问题，比如：（1）将实验装置改进得更复杂或者实验器材不易找寻[4]；（2）实验试剂用量大，反应过于剧烈存在安全隐患[5]；（3）实验试剂配制过于复杂，不利于实验前期准备[6]。此外还有一些文献对实验用品的剂量报道不详，使得重复该实验方案时达不到预期效果[7，8]。为了达成铝热反应实验的课堂演示目标，有必要对其再进行优化改进。本改进实验优化的最显著之处是大幅降低了实验试剂的用量（一次实验耗铝粉量和氧化铁量总共仅0.1克），使之成为“微量化实验”。“微量化实验是以微小量的试剂在较常规的仪器装置中进行化学实验，使实验现象依然足够明显。即微量化实验就是在保证试剂用量少、污染少、省时间、易操作的同时，仍使用常规仪器、装置，仍能达到常规演示实验的可见度”[9]。使得本改进实验在安全性、可观察性以及反应时间的可控性方面满足课堂演示实验的要求。

2 实验优化

2.1 实验装置的优化

为了实现实验过程的安全性、可操作性和便于观察三个方面的功能，同时兼顾实验装置的简洁性与易得性，优化的铝热反应实验装置如图1所示。

取高度为3cm左右的易拉罐底部壳体（以下简称易拉罐），用以取代传统反应装置中的滤纸和漏斗，在其上方2.5cm左右倒扣一个玻璃漏斗。此设计的优点是：防止反应物飞溅又兼顾现象观察，并且不影响实验中的点火操作。此外，易拉罐又可反复使用，便于重复实验。实验表明，改进之后，实验安全可控，现象明显易于观察，反应产物铁珠收集方便（传统实验在沙粒中寻找）。

2.2 实验点燃方式优化

化学课堂演示实验有时间的限制，本实验在优化中进行了一列验证实验，发现用棉花蘸无水乙醇作为点燃剂的方法最优，因充分浸润无水乙醇的棉花球燃烧时，能够放出大量的热，可在较短时间（10s左右）引发铝热反应。

2.3 实验试剂量微量化

基于课堂演示实验的安全性、可观察、时间可控性和反应试剂的节约性原则，笔者做了一系列对照实验，选取几个有代表性的配方列于表1。

实验表明，序号2反应速率较慢，序号3反应速率较快，不易于过程观察，序号4反应速率快且温和，没有太强的刺激。选序号1的用量作为课堂演示实验的方案为最优，该方案试剂用量少，反应时间适中，火花四溅较少，反应剧烈程度适中，安全性高，同时又不影响观赏性。

3 实验步骤及现象

3.1 实验用品

仪器：带铁圈和铁夹的铁架台、易拉罐、坩埚钳、玻璃漏斗、湿棉布、托盘天平、磁铁、药匙、棉花、纸片、酒精灯

药品：无水乙醇、铝粉、氧化铁（Fe2O3）粉末、氯酸钾粉末（药品均出自成都市科龙化工试剂厂）

3.2 实验步骤及现象

（1）按照图1的装置图安装好实验仪器。将易拉罐底部壳体放置于铁圈上，在其底部平铺一层棉花，上面放置混合均匀的铝粉、氧化铁粉末和氯酸钾粉末的薄纸片包，试剂的混合比例为表1中的序号1所示。

（2）铁夹上夹一个倒扣的用棉布垫着的玻璃漏斗，使玻璃漏斗下端与易拉罐间距大约2～2.3cm（以实验者放引燃剂方便为准）。

（3）先点燃酒精灯，用坩埚钳夹起一块无水乙醇完全浸润的小棉花团，在酒精灯上点燃，迅速放入易拉罐中纸包的上方，引燃反应物。

（4）约10秒左右，可观察到如图2所示的反应现象，反应剧烈并伴有火花四溅的铝热反应，实验过程27秒左右。待易拉罐冷却后，夹出易拉罐，用磁铁接近易拉罐内部，发现磁铁吸引一些细小的铁珠，说明铝热反应生成了单质铁。

4 实验注意事项

（1）实验中易拉罐选取高度适中（大约3cm左右），太高会影响观察，太低影响实验用品的放置。

（2）易拉罐上端与漏斗末端间隔适中，过小会影响棉球放入，过大不能防止火花溅出，存在安全隐患。

（3）铝热剂与氯酸钾一定要混合均匀，用薄纸片紧密包裹，否则影响反应时间和效果。

（4）图1装置中可使用较湿润的棉布，防止实验温度过高，点燃棉布。同时，作为引燃的棉花球不宜太大，太大会出现铝热反应完毕后，棉花球未燃烧完全，延长反应时间，并造成空气污染（实际操作中若棉花未燃烧完全，可用坩埚钳取出易拉罐，用湿棉布盖上将其扑灭）。

（5）此实验虽大大提高了铝热反应安全性，为了以防万一，建议观察距离至少1米以上。

5 实验创新点

（1）实验选取无水乙醇做引燃剂，避免了镁条引燃的弊端。

（2）确定了助燃剂氯酸钾的最佳量，使实验在合适时间内呈现最佳效果。

（3）避免因滤纸的遮挡以及反应太快而观察不清晰的情况出现。

（4）找到了铝粉与氧化铁粉末最佳比例，在不影响实验安全性和观赏性的前提下，减少了试剂用量，也降低了对教室空气质量的过度影响。

（5）用易拉罐代替滤纸，做到了废物利用，减少环境污染，此外清洗后的易拉罐可以反复使用。

参考文献：

[1][5]林敏.铝热反应的实验改进[J].化学教学，2009，（7）：13.

[2]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书·化学2（必修）（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：89.

[3]王磊主编.普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）（第3版）[M].济南：江苏教育出版社，2007：116.

[4]孙海龙，于永民.铝热反应实验装置的再改进[J].化学教学，2013，（8）：39.

[6]向玉耀，万华明.铝热反应实验的改进[J].化学教育，2009，（12）：67.

[7]姚建义.铝热反应实验改进[J].教学实验与仪器（中学版），2004，（3）：18.

[8]王光大.对铝热反应装置的创新设计[J].化学教学，2009，（3）：15.

[9]李光真.高中化学微量化实验的开发[J].化学教学，2014，（5）：55.endprint