用多孔泡沫金属改进中学化学实验的若干案例

2024-02-22王新福

化学教学 2024年1期

王新福

摘要：多孔泡沫金属是一种具有多孔网状结构的新型功能材料，具有孔隙率高、比表面积大等特征。设计了四个实验案例，介绍泡沫金属在中学化学实验中的应用。用泡沫镍作为氢氧燃料电池的电极，可以在其孔隙结构中储存更多气体，延长放电时间。用泡沫铜卷曲后催化氧化乙醇，可增大接触面积，提高催化效果。用泡沫镍负载TiO2后，可用于紫外光催化分解甲醛。用泡沫锌与稀硫酸反应，可大大提高反应速率，证明反应物接触面积对速率的影响。

关键词：多孔泡沫金属；比表面积；中学化学实验；实验改进

文章编号： 10056629（2024）01007104

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 引言

多孔泡沫金属是一种具有多孔结构的固体金属（通常有铜、镍、铁、铝等），其主要特征是高孔隙率，仅有5%～25%的体积是基底金属，其余部分由空气孔隙构成。以泡沫镍（图1）为例，其金属基底具有三维立体的网孔结构（图1左图和中图），金属骨架相互交连，形成多面体拓扑结构，内部存在大量孔隙（图1右图）。作为一种新型功能材料，泡沫金属已被用于催化载体、阻燃防爆、吸音、钻井隔水管浮筒、人工骨等多个领域［1］。

本文结合四个具体实验案例，介绍如何利用泡沫金属的特殊结构和性质，改进中学化学实验。归纳而言，主要有以下四种改进思路。

（1）储存气体：泡沫金属具有错综复杂的网状结构，当其浸入溶液中后，小气泡不易穿过网状金属骨架，因此泡沫金属内可以储存一些气体。

（2）高效催化：当泡沫金属的基底金属本身就是催化剂时，可以实现更高效的催化效果，因为当液体或气体通过泡沫金属时可以更充分地接触。

（3）负载催化：即使基底金属本身不是催化剂，也可以在金属骨架上负载催化物质，实现高效催化的功能。

（4）增大反应速率：泡沫金属的比表面积极大，当金屬参与反应时，可增大反应物接触面积，从而增大化学反应速率。

2 泡沫镍作电极的氢氧燃料电池

2.1 实验改进思路

氢氧燃料电池是高中化学的重要实验，常见思路是以惰性物质作电极，先电解水生成氢气和氧气，储存在2个电极上，然后把电极连接到电路中，形成氢氧燃料电池。教材实验用2个多孔碳棒作为电极，但其吸附气体的能力有限，驱动小电扇的放电时间不长［2］。为了让电极储存更多气体，有研究者在石墨电极外包裹泡沫塑料［3］，但泡沫塑料中只有与碳棒接触的部分气体能参与电极反应，其余不参与反应的气体反而会阻碍电解质溶液与电极的接触，造成放电效率降低。

笔者尝试直接使用泡沫金属作为电极，不仅具有类似泡沫塑料一样的储存气体的结构，而且整个泡沫金属都具有导电性，使电极材料、电极反应物和电解质溶液能够充分接触。

2.2 实验材料

仪器：剪刀、刻度尺、电解盒、接线柱、导线、开关、小电扇、9V电池或直流电源

药品：1mol/L Na2SO4溶液、泡沫镍（注：理论上泡沫镍厚度越大，储气越多，效果越好，但厚度太大又不便于用剪刀裁剪，笔者多次尝试后选用了1.7mm厚的泡沫镍）

2.3 实验步骤

（1）按照图2左上角的图示，每个电极都需要剪下8片泡沫镍片，分别为：6片横向的正方形隔板、1片单独的侧面、1片三联的侧面。按照图示“双线”的位置，在泡沫镍片上剪出缺口。

（2）把1片三联的侧面按照图示“虚线”的位置弯折90°，接着把6片正方形隔板按照编号插入其中，然后把1片单独的侧面从左向右插入。这样就拼装成了长和宽均为20mm的立方柱，内含AB、 BC、 CD、 DE、 EF五个高10mm的腔室。

（3）按照相同的方法制作另一个泡沫镍电极，然后将其安装在电解盒中。倒入Na2SO4溶液。用导线把2个电极与直流电源和开关S1连接起来，用另几根导线把2个电极与小电扇和开关S2连接起来。

（4）闭合S1，形成电解水的电解池，通9V直流电5min后断开。

（5）闭合S2，形成氢氧燃料电池，供小电扇运转，记录转动时间。

2.4 实验结果

S1闭合形成电解池后，2个泡沫镍电极均生成气体，气泡不仅可储存于泡沫镍自身的孔隙（约占80%体积）的内部，还可以储存于五个相对独立的腔室中（例如，平面E产生的气体向上逸出后会被平面D挡住），因此储气量极大。

S2闭合形成燃料电池后，小电扇立刻开始转动，持续工作67s。作为对比，笔者把泡沫镍电极换成多孔碳棒，重复实验，此时小电扇仅能工作14s。上述结果证明，泡沫镍电极的设计提高了储气量，提高了燃料电池的放电性能。

3 泡沫铜催化乙醇氧化

3.1 实验改进思路

泡沫金属不仅比表面积大，而且透气性、透水性好，可以允许反应物流过、充分接触，因此可用于高效催化。在实际操作中笔者发现，片状的泡沫金属易裁剪，而且可以弯曲成任意形状，非常适合代替传统的粉末状或丝状金属催化剂，“泡沫铜催化氧化乙醇”实验仅仅是其中一个例子。

3.2 实验材料

仪器：剪刀、刻度尺、粗口径的短试管（或50mL烧杯）、酒精灯

药品：1.5mm厚的泡沫铜、铜丝、无水乙醇

3.3 实验步骤

（1）如图3所示，剪下一块长3cm、宽2.5cm的泡沫铜片，在一个角多预留一小片泡沫铜片，用剪刀的尖头在预留处戳一个小孔。

（2）把泡沫铜片按螺旋状卷成圆筒，内部可以宽松一些。然后用一根铜丝穿过小孔固定，使泡沫铜圆筒被铜丝吊着。

（3）在试管中倒入少量无水乙醇。把泡沫铜圆筒置于酒精灯上加热至红热，然后插入试管中，观察实验现象。

3.4 实验结果

红热的泡沫铜圆筒伸入试管乙醇上方后，观察到泡沫铜圆筒自下而上由黑变红，然后能保持红热。与螺旋状的铜丝催化剂相比，泡沫铜催化剂更加稳定，成功率高，不易中途冷却。这是因为铜催化氧化乙醇的反应实际上分为两步［4］：铜被空气中的氧气氧化2Cu+O2△2CuO，然后氧化铜被乙醇蒸气还原CH3CH2OH+CuO△CH3CHO+Cu+H2O。由此可见，实验成功率提高的关键原因是泡沫铜与气体（氧气、乙醇蒸气）充分接触，而且泡沫铜的表面积非常大，能够生成更多氧化铜。

4 泡沫镍负载TiO2光催化分解甲醛

4.1 实验改进思路

常用的除甲醛方法主要是用活性炭物理吸附，但这种方法对甲醛的吸附有限，且速率缓慢。科学家发现用TiO2等作为光催化剂，在紫外光照射下可以光解甲醛、甲苯等空气中的有害物质，具有降解能力强、降解彻底的优点［5］。但是TiO2粉末如果直接弥散在空气中将带来新的粉尘污染，因此可利用泡沫镍作为载体，不僅能与空气充分接触，还具有高透光率，便于紫外光均匀照射。

4.2 实验材料

仪器：20W 390nm紫外灯、两个500mL注射器（针筒长度22cm，直径7cm）、乳胶管、直径2cm的敞口塑料盒、铁架台、大号铁夹、剪刀

药品：甲醛检测酚试剂（网购）、TiO2负载泡沫镍（可直接网购，也可按文献［6］方法自制：把2g黑色TiO2溶解于100mL乙醇中，超声20min后浸渍于泡沫镍上，最后80℃烘箱烘干24小时）、甲醛

4.3 实验步骤

（1）如图4，剪一块18×15cm的TiO2负载泡沫镍，卷曲成圆筒状后塞入注射器A内，然后把活塞安装在注射器内。

（2）把注射器A乳头部位伸入甲醛试剂瓶中，吸取10mL甲醛蒸气，与注射器内原有的空气混合。

（3）用紫外灯照射注射器A内的气体1小时，发生催化反应。

（4）在注射器B中放一个小塑料盒，内装有甲醛检测试剂，注射器活塞推到顶部。用乳胶管连接A和B两个注射器，然后把注射器A中的气体推入注射器B中（会把泡沫镍压缩成小块）。

（5）静置20min，用标准比色卡比对甲醛检测试剂的颜色，读出甲醛浓度。

（6）再做3次实验作为对照（分别为去掉紫外灯照射、去掉泡沫镍、既没有泡沫镍也没用紫外灯照射），重复实验，比较结果。

4.4 实验结果

不同实验条件下的甲醛检测结果如表1所示。实验4是未做处理的甲醛浓度，测得0.7mg/m3，当有紫外光照射和泡沫镍催化（实验1）时，甲醛浓度降低至0.08mg/m3，去除率高达88.6%。实验2和实验3分别检验了泡沫镍和紫外光的必要性，结果证明了必须有泡沫镍和紫外光同时存在才能起到最佳的催化效果。