鄭雅蘭

摘要： 為了使學(xué)生切實(shí)體驗(yàn)單質(zhì)鋁的活潑性并感悟創(chuàng)新理念，對(duì)傳統(tǒng)儀器作巧妙改造后，將“鋁在空氣中氧化”實(shí)驗(yàn)中的鋁條插于橡膠塞直立講桌使“毛刷”立體呈現(xiàn)，再用抖落“白毛”的鋁條在懸于細(xì)口瓶熱水中的底部有洞小試管內(nèi)直接補(bǔ)充演示“鋁和熱水的反應(yīng)”，實(shí)驗(yàn)中清晰地看到白色沉淀產(chǎn)生，收集的氫氣也能安全點(diǎn)燃。這樣把兩個(gè)實(shí)驗(yàn)連貫起來(lái)優(yōu)化了教學(xué)流程，提高了課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 鋁的活潑性; 鋁和熱水的反應(yīng); 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2020）02-0061-03

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

課堂演示實(shí)驗(yàn)不僅是學(xué)生客觀地認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)及變化規(guī)律獲得化學(xué)知識(shí)的重要途徑，更是提高學(xué)生綜合素質(zhì)，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生觀察能力、思維能力、創(chuàng)新能力的重要方法和手段。高中教育階段是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要時(shí)期，教師在課堂教學(xué)（特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)）中不拘泥于課本、敢于創(chuàng)新設(shè)計(jì)并產(chǎn)生好的實(shí)驗(yàn)效果，其意義就不僅局限于培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知能力，對(duì)于培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識(shí)、激發(fā)他們的創(chuàng)新熱情都有不可低估的作用。因此教師不僅是傳道、授業(yè)、解惑的啟蒙者，更是身教重于言教的創(chuàng)新觀念的踐行者。秉承這種觀念，將鋁的自然氧化及鋁和水反應(yīng)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)連貫起來(lái)設(shè)計(jì)成一個(gè)新的課堂演示實(shí)驗(yàn)，在此和大家分享，并作一些探討。

1? 問(wèn)題的提出

上科版高中化學(xué)教材高二第八章第2節(jié)是“鋁和鋁合金的崛起”。教材中安排了“鋁在自然界的存在形式和冶煉方法”、“單質(zhì)鋁的物理性質(zhì)和用途”、“單質(zhì)鋁及化合物的性質(zhì)”[1]等多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容，其中單質(zhì)鋁性質(zhì)的學(xué)習(xí)是重點(diǎn)之一?！渡虾Ｊ懈咧谢瘜W(xué)學(xué)科教學(xué)基本要求》第99頁(yè)有一具體要求是“描述鋁與氧氣、水、氧化鐵反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，書寫相關(guān)化學(xué)方程式，歸納鋁的強(qiáng)還原性”[2]。明確要求描述鋁與氧氣、水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但教材中只安排了鋁的氧化實(shí)驗(yàn)[3]，并沒(méi)有安排鋁和水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，這不利于學(xué)生認(rèn)識(shí)鋁的強(qiáng)還原性（活潑金屬置換水中氫離子是其強(qiáng)還原性的重要表現(xiàn)）。為了加強(qiáng)認(rèn)識(shí)和理解，多數(shù)教師會(huì)利用學(xué)生已知的金屬活動(dòng)性順序表及活潑金屬鈉置換水中氫離子產(chǎn)生氫氣的知識(shí)推演鋁和水反應(yīng)的產(chǎn)物和現(xiàn)象。有少數(shù)教師還會(huì)嘗試做鋁和水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，通常的做法是先用砂紙擦除鋁表面的氧化膜，然后插入試管內(nèi)蒸餾水中再加熱，觀察產(chǎn)生的氣泡等。這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案雖

簡(jiǎn)單，但是實(shí)驗(yàn)效果很差，通?？床坏桨咨恋恚溲趸X）的生成，想要收集氣體做點(diǎn)燃試驗(yàn)也較難做到。

那么，怎樣讓學(xué)生在課堂上能夠清楚地看到鋁和水反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡和難溶物，并且能夠?qū)a(chǎn)生的氣體收集、點(diǎn)燃？筆者結(jié)合多年的研究和實(shí)踐，設(shè)計(jì)了以下課堂教學(xué)過(guò)程和演示實(shí)驗(yàn)，獲得了很好的教學(xué)效果。

2? 實(shí)驗(yàn)方案

2.1? 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

螺旋狀鋁條（比小試管略短）、課前灌裝在暖瓶中的煮沸自來(lái)水（或煮沸的3%～5%氯化鈉溶液）、10%硝酸汞溶液（或氯化汞溶液）、2mol/L氫氧化鈉溶液;500mL細(xì)口瓶（1個(gè)）、底部有小洞的小試管（1個(gè)）、完好的相同規(guī)格小試管（2個(gè)）、和小試管配套的單孔塞（單孔塞上配有橡膠管及尖嘴玻管）、止水夾（2個(gè)）、比小試管口徑大的橡膠塞（1個(gè)）、1000mL大燒杯（1個(gè)）

2.2? 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1～圖4所示：

圖1? 固定在橡膠塞上的螺旋狀鋁條

圖2? 底部有小洞的小試管

圖3? 用止水夾將橡膠管對(duì)折夾住

圖4? 用止水夾固定小試管懸于細(xì)口瓶熱水中

2.3? 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1） 課前準(zhǔn)備好底部有小洞的小試管（如圖2所示）;1000mL大燒杯裝滿自來(lái)水備用;在試管架上準(zhǔn)備好兩個(gè)小試管，分別盛有10%硝酸汞溶液（或氯化汞溶液）和2mol/L氫氧化鈉溶液待用（注： 液體液面距試管口1cm左右，防止插入鋁條后溶液溢出）。

（2） 如圖1所示，將螺旋狀鋁條的一端固定在橡膠塞上，再將該鋁條插于盛有2mol/L氫氧化鈉溶液的試管中（橡膠塞的作用是保證鋁條不會(huì)掉入堿液中），當(dāng)試管中有大量氣泡產(chǎn)生時(shí)，取出螺旋狀鋁條在大燒杯的備用水中洗滌干凈，再迅速插入硝酸汞溶液（或氯化汞溶液）的試管中，引導(dǎo)學(xué)生觀察鋁條表面顏色的變化。

（3） 待鋁條表面變成灰黑色（約1分鐘），取出鋁條以插入的橡膠塞做底座直立于講桌A4白紙上（鋁條直立便于觀察，白紙便于氧化產(chǎn)物的收集，收集到的氧化鋁可用于后續(xù)氧化鋁的兩性實(shí)驗(yàn)，這樣得到的氧化產(chǎn)物活性較好[4]，在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿中的溶解很迅速，溶解過(guò)程中沒(méi)有氣泡產(chǎn)生也印證了“汞齊化”鋁單質(zhì)長(zhǎng)出來(lái)的“毛”是氧化鋁）。然后，教師邊講邊引導(dǎo)學(xué)生觀察氧化膜去除后鋁條在空氣中的自然氧化——毛刷現(xiàn)象[5]。

（4） （鋁單質(zhì)能夠在自然條件下氧化說(shuō)明鋁較活潑，其活潑性還表現(xiàn)在它和水的反應(yīng)）抖落鋁條表面的“白毛”，取下鋁條上的橡皮塞，將鋁條放入底部有洞的小試管中，塞上配套的單孔塞，然后在500mL細(xì)口瓶中注滿提前準(zhǔn)備好的煮沸自來(lái)水（或3%～5%的氯化鈉溶液[6]，不建議直接使用蒸餾水），再用止水夾夾住小試管的管口懸空固定于500mL細(xì)口瓶瓶口（如圖4所示）。待小試管中充滿熱水后，用止水夾將橡膠管對(duì)折夾?。ㄈ鐖D3所示）。

（5） 觀察細(xì)口瓶中的小試管： 鋁條表面有大量氣泡產(chǎn)生，液面下降，還不斷有白色沉淀產(chǎn)生（如圖5所示）。當(dāng)小試管中液面不斷下降，氣體充滿小試管時(shí)（大約2～3分鐘），先點(diǎn)燃酒精燈，對(duì)準(zhǔn)玻管尖嘴處，然后打開(kāi)止水夾，可看到尖嘴處有火苗產(chǎn)生（如圖6所示）。

圖5? 產(chǎn)生氣體和白色不溶物

圖6? 氣體可在尖嘴口點(diǎn)燃

3? 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)及相關(guān)說(shuō)明

鋁活潑性實(shí)驗(yàn)最關(guān)鍵的步驟是除去鋁條表面的氧化膜。首先，氫氧化鈉溶液不要過(guò)稀，溶解氧化膜要充分，等試管中有大量氣泡產(chǎn)生時(shí)再取出，快速放到大燒杯的備用水中洗去附著的堿液;然后，迅速放入硝酸汞溶液（或氯化汞溶液）[7]的試管中，在硝酸汞溶液中的浸泡時(shí)間必須掌握好，觀察鋁條表面變成暗灰黑色[8]即可（室溫下，時(shí)間控制在45秒至1分鐘之間最佳，時(shí)間不宜長(zhǎng)，否則會(huì)影響鋁條和水的反應(yīng)）;最后，要等它的“毛”長(zhǎng)出來(lái)脫落，觸感鋁條有點(diǎn)燙，再放入熱水中（鋁條在空氣中“長(zhǎng)毛”時(shí)間大約兩分鐘，非常適合課堂邊講邊實(shí)驗(yàn)）。

為了更利于課堂邊講邊實(shí)驗(yàn)的時(shí)間把控，筆者做了多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水溫對(duì)產(chǎn)生氫氣的速率影響較大，一般控制水溫80℃以上，反應(yīng)速率就比較快，大約2～3分鐘就能集滿一試管的氫氣（用自來(lái)水和4%的氯化鈉溶液反應(yīng)速率相差無(wú)幾）。

另外，在較低溫度下“氯離子效應(yīng)”[9]對(duì)該反應(yīng)的速率影響很大。筆者用4%氯化鈉溶液和純凈蒸餾水控制50℃的水溫做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是4%氯化鈉溶液的反應(yīng)速率比蒸餾水快許多，集滿一試管的氫氣大約需要12分鐘。而在50℃的條件下，鋁條與蒸餾水反應(yīng)速率非常慢，20分鐘才收集了3毫升的氫氣，這也是實(shí)驗(yàn)中不建議使用蒸餾水的原因（成本高且比自來(lái)水反應(yīng)慢）。

4? 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)及意義

（1） 優(yōu)化了課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程。將鋁單質(zhì)在空氣中的自然氧化“毛刷實(shí)驗(yàn)”以及“鋁單質(zhì)和熱水的反應(yīng)”兩個(gè)重要的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，使課堂教學(xué)中演示實(shí)驗(yàn)前后連貫、一氣呵成，教學(xué)內(nèi)容銜接得很好，使學(xué)生對(duì)鋁的金屬活潑性認(rèn)識(shí)更加充分。而且“毛刷實(shí)驗(yàn)”的產(chǎn)物還能為后續(xù)氧化鋁的兩性實(shí)驗(yàn)提供活性較好的反應(yīng)物。

（2） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙。①500mL細(xì)口瓶容積較大，裝滿熱水后實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)需再加熱，且水溫不易降低;②用底部有洞的小試管收集氫氣，從水位的下降可觀察到氣體的產(chǎn)生和排水集氣法的過(guò)程;③用生成“鋁汞齊”的方法破壞鋁條表面氧化膜，使其與水反應(yīng)產(chǎn)生氣體的速率大大加快。

（3） 實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單安全，現(xiàn)象明顯，便于推廣。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用有洞小試管，利用排水集氣法收集氣體產(chǎn)物——?dú)錃?，保證了氫氣的純度，可以安全地點(diǎn)燃。還能夠清晰地觀察到不溶性物質(zhì)——?dú)溲趸X的生成。實(shí)驗(yàn)中所用儀器均為常規(guī)儀器，底部有洞的小試管和螺旋狀鋁條都不難加工，甚至可以在課堂上講解鋁的物理性質(zhì)時(shí)當(dāng)場(chǎng)彎曲鋁條，使學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)鋁的硬度，一舉兩得。

（4） 實(shí)驗(yàn)用時(shí)短、重復(fù)性好。本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案集滿一試管的氫氣只需要2～3分鐘，非常適合邊講邊實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)。如果設(shè)計(jì)成探究實(shí)驗(yàn)，需要多次收集氣體的話，只要再次將尖嘴玻管下端的橡膠管對(duì)折夾住，可立即觀察到小試管中液面下降，且后續(xù)產(chǎn)生氣體的速率會(huì)越來(lái)越快。

（5） 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)題設(shè)計(jì)可根據(jù)教學(xué)情況收放自如，可以課堂討論也可以課后思考。例如鋁條為什么要彎成螺旋狀？鋁條表面除去氧化膜的辦法有哪些？哪個(gè)方法更方便？為什么教師要用“毛刷實(shí)驗(yàn)”后的鋁條來(lái)做鋁和水的反應(yīng)？這樣做有什么好處？（對(duì)于有些感興趣的學(xué)生還可以就“氯離子效應(yīng)”[10]查找資料、對(duì)比、探究、討論）……這些問(wèn)題的討論可促使學(xué)生將鋁在空氣中自然氧化的放熱，以及形成“鋁汞齊”的作用（除了破壞鋁表面形成致密氧化膜以外，還可能有電化學(xué)腐蝕加快反應(yīng)速率）等知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)和鞏固，通過(guò)問(wèn)題討論把這些知識(shí)和原理有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，對(duì)培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力很有意義。

（6） 這個(gè)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神很有作用。該設(shè)計(jì)是在安全有保障、條件允許的情況下，把課本上“鋁在空氣中的氧化實(shí)驗(yàn)”做了改進(jìn)和拓展，并進(jìn)行探究性教學(xué)。此類創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施和體驗(yàn)，不但使學(xué)生耳目一新，而且能讓他們體會(huì)到化學(xué)的魅力和創(chuàng)新的魔力。當(dāng)創(chuàng)新意識(shí)不再是口頭的描述和期待，而是切切實(shí)實(shí)的感受和體驗(yàn)時(shí)，創(chuàng)新的理念才會(huì)真正在學(xué)生的頭腦中生根發(fā)芽。

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