摘 要：為了提高實驗教學的有效性，豐富中學化學實驗教學資源，對化學教材上編排的鋁和氧化鐵反應的實驗進行了改進，增補了鋁和氧化銅反應的實驗。新設計的兩個鋁熱反應實驗，選用球形干燥管作反應容器，借助鞭炮引燃鋁熱劑，利用瓷磚接收反應產(chǎn)生的熔融物。改進后的實驗具有很強的安全性、簡便性、可視性和觀賞性，有利于學生認識鋁熱反應的原理及其應用。

關鍵詞：鋁與氧化鐵反應；鋁與氧化銅反應；鋁熱實驗；球形干燥管

文章編號：1005-6629（2024）09-0074-04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

現(xiàn)行各版本的中學化學教科書都編排有金屬鋁在高溫下還原金屬氧化物的鋁熱反應實驗。該實驗通常是把鋁粉、氧化鐵粉末放入紙漏斗里，借助鎂帶和氯酸鉀引燃鋁熱劑，利用盛有細沙的蒸發(fā)皿接收反應產(chǎn)生的熔融物（實驗裝置見圖1）。鋁熱反應令人震撼的實驗現(xiàn)象，有利于學生認識“金屬鋁具有強還原性”的化學性質(zhì)。

上述實驗中，使用紙漏斗作為反應容器，不僅產(chǎn)生較多的煙塵，而且其開放的結構還容易造成熔融物飛濺；用直立的鎂條引燃鋁熱劑，鎂條有時不能持續(xù)燃燒，造成鋁熱反應不能順利發(fā)生，鎂燃燒的耀眼白光還會影響學生觀察實驗現(xiàn)象。另外，由于蒸發(fā)皿是不透明的陶瓷儀器，致使學生難以觀察到反應生成了“流動的鐵水”。因此，很多一線化學教師對此實驗進行了改進。

1 已有的實驗改進

查閱有關的文獻發(fā)現(xiàn)，對鋁熱反應實驗的改進主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1） 改變引燃劑。如雷玉芳、俞遠光等，使用強氧化劑（濃硫酸、高錳酸鉀、過氧化鈉、硝酸鉀等）與易燃物（蔗糖、甘油、無水乙醇、木炭粉等）組成新的引燃劑^［1，2］，通過劇烈的氧化反應放熱，觸發(fā)鋁熱反應的發(fā)生。

（2） 更換反應容器。如孫海龍、王屹等，分別使用鐵漏斗或水泥漏斗、b形熔點測定管、空心磚等代替紙漏斗進行實驗^［3，4］，避免了濾紙燃燒，減少了煙霧的伴生，優(yōu)化了實驗裝置。

（3） 設計環(huán)保體系。如趙柏喆、但世輝等，分別利用塑料包裝盒、倒置的漏斗、無底試管等作為吸煙罩^{［5，6］}，以減少實驗過程對環(huán)境的污染。

（4） 實驗裝10gWbBQNsO0Mc19HkB1n/Y2udI48Bsame/dCCsYEQT0=置微型化。如邵文兵、趙東洋等利用粉筆、泥漏斗等構成微型實驗裝置^{［7，8］}，節(jié)省了實驗藥品，提高了實驗的安全性。

（5） 增強實驗的趣味性。如郭洪燃、朱建兵等，在實驗中增加焊接鐵釘或鐵絲的現(xiàn)場操作^［9，10］（裝置見圖2），使實驗生動、有趣，能促進學生認識到鋁熱反應的實際應用（如冶煉金屬、焊接鐵軌等）。

以上改進實驗雖然還有不足，但其中的創(chuàng)新元素為我們進一步優(yōu)化實驗提供了有益的參考。

2 鋁熱實驗的新設計

在實驗教學中，我們不僅改進了鋁和氧化鐵反應的鋁熱實驗，還設計了鋁和氧化銅反應的鋁熱實驗，并取得了非常理想的實驗效果。新實驗裝置的反應容器為25mL的普通球形干燥管，在球形管內(nèi)裝入鋁熱劑（鋁粉與金屬氧化物粉末的混合物），在鋁熱劑的上部插入剪掉尾部的小鞭炮；反應過程中產(chǎn)生的熔融物流到瓷磚上，冷卻后形成較大的水滴狀金屬顆粒。

2.1 鋁和氧化鐵的反應

2.1.1 實驗用品

主要有25mL的球形干燥管，鐵架臺（附鐵夾），60cm×60cm的瓷磚，藥匙，鑷子，脫脂棉，火柴或電子打火槍；鋁粉，氧化鐵粉末，鞭炮

2.1.2 實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖3所示（鐵架臺省略，下同）。

2.1.3 實驗步驟

（1） 取一個25mL的球形干燥管，用鑷子將少許棉花塞入球形管與細管的連接處，以封閉球形干燥管的下部。

（2） 用藥匙取適量的氧化鐵粉末與鋁粉的混合物（兩者的質(zhì)量比約為5∶2，鋁粉稍過量），將其裝入球形干燥管中，注意使鋁熱劑充滿球形管并占據(jù)粗管容積的1/5。

（3） 取一個粗細約0.5cm的小鞭炮，從其尾部剪掉1/4（保留上部及炮捻），再將其插入鋁熱劑中（插入深度約0.5cm即可）。

（4） 取一個鐵架臺，在鐵架臺的底板上放置一塊60cm×60cm的瓷磚。再將裝好鋁熱劑的球形干燥管固定在鐵架臺上，注意使球形干燥管的細管正對著瓷磚的中部，并且細管的管口距離瓷磚10cm左右。

（5） 點燃鞭炮的炮捻，鞭炮中火藥燃燒，向下呲花，進而觸發(fā)鋁熱反應。此時可觀察到反應異常劇烈，干燥管上、下管口均火花四濺，粗管口向上濺出的火花近1m高，如燃放煙花一般；球形干燥管熾熱發(fā)紅（但不會出現(xiàn)想象中的玻璃管爆裂現(xiàn)象），流下的熾熱液體通體透紅并閃耀著火花；熔融物落在瓷磚上形成水滴狀，稍冷卻，水滴狀熔融物凝結成具有金屬光澤的灰黑色固體顆粒（高約0.4cm、直徑約2cm）。另外，干燥管的內(nèi)壁與熔融物結合，形成具有銀灰色金屬光澤的鏡面。

（6） 待產(chǎn)物冷卻到室溫后，用鑷子取下水滴狀固體顆粒，交由學生近距離觀看。再用磁鐵靠近固體顆粒，發(fā)現(xiàn)能被磁鐵吸引。據(jù)此現(xiàn)象和質(zhì)量守恒定律推測，該實驗確實有鐵生成（有關反應的化學方程式是2Al+FeO高溫2Fe+AlO）。

2.2 鋁和氧化銅的反應

2.2.1 實驗用品

主要有25mL的球形干燥管，鐵架臺（附鐵夾），60cm×60cm的瓷磚，藥匙，鑷子，脫脂棉，火柴或電子打火槍；鋁粉，氧化銅粉末，鞭炮

2.2.2 實驗裝置

新設計的實驗裝置如圖4所示。

2.2.3 實驗步驟

（1） 按圖4裝好藥品（氧化銅粉末與鋁粉的質(zhì)量比約為3∶1，鋁粉稍過量），連好裝置。其余操作（如封閉球形干燥管下部等）同上。

（2） 點燃鞭炮，火藥燃燒引發(fā)鋁熱反應。觀察到鋁熱劑劇烈燃燒，比“鋁粉與氧化鐵的反應”還要劇烈，球形干燥管的粗管口濺出的火花更多、更高；反應產(chǎn)生的紅色熔融物從球形干燥管的細管流下，落到瓷磚上，形成金黃色水滴狀的固體顆粒（高約0.4cm、直徑約1.8cm）。根據(jù)反應現(xiàn)象和質(zhì)量守恒定律可以推知，該實驗確實有銅生成（有關反應的化學方程式是2Al+3CuO高溫3Cu+AlO）。

（3） 待產(chǎn)物冷卻到室溫后，用鑷子取下金黃色水滴狀固體顆粒，交由學生近距離觀看。另外，還可以觀察到干燥管的內(nèi)壁與熔融物結合，形成金黃色的鏡面。

3 注意事項

（1） 本實驗中，加入的鋁熱劑粉末要裝滿球形部分，并占據(jù)粗管容積的1/5，這樣既保證鋁熱劑足量，又便于插入鞭炮。但是鋁熱劑也不能過多，以防反應過于劇烈，發(fā)生危險。

（2） 用作引火劑的鞭炮，必須剪去尾部，千萬不能將一個完整的鞭炮插入鋁熱劑中，以防點火時發(fā)生爆炸。另外，點燃炮捻后，操作者應立即后退到離實驗裝置1米以外的地方，以防熔融物濺到身上。

（3） 為了確保實驗安全，實驗臺周圍不能有易燃物，實驗裝置要遠離照明和電教設備（至少2.5m）；為了防止反應產(chǎn)生的火花濺到實驗臺上，瓷磚的大小至少達到60cm×60cm。

（4） 球形干燥管的細管口距離瓷磚不能少于8cm左右（10cm比較合適），以防熔融物流下時將細管口與瓷磚粘合在一起。

4 實驗的優(yōu)點

（1） 本實驗使用底部封閉的球形干燥管作為反應容器，使得藥品集中、受熱充分，有利于鋁熱反應的爆發(fā)與推進；雖然反應非常劇烈，但由于反應體系相對封閉，使得實驗過程較為安全。另外，經(jīng)歷1500℃以上的高溫洗禮，球形干燥管的內(nèi)壁能形成具有金屬光澤的銀鏡（或銅鏡）外觀，豐富了實驗現(xiàn)象。

（2） 球形干燥管上粗、下細的結構，有利于反應產(chǎn)生的熔融物沿著下端的細管順利流下；球形干燥管作為透明的玻璃儀器，能使實驗現(xiàn)象清晰地呈現(xiàn)在學生眼前。

（3） 瓷磚表面潔凈，沒有細沙的干擾，有利于熔融物在瓷磚上形成較大的水滴狀金屬顆粒，避免了“鋁熱反應放煙花，不見鐵水只見沙”的尷尬場景。另外，瓷磚表面積較大（3600cm²），有利于保護實驗臺面。

（4） 采用帶有炮捻的鞭炮引燃鋁熱劑，引火時間較為充足，克服了鎂帶引燃的不確定性。

（5） 增補“鋁和氧化銅反應”的鋁熱實驗，能拓展學生的學科視野，強化鋁熱反應的內(nèi)涵認識。

（6） 實驗過程產(chǎn)生的煙霧較少，造成的污染微乎其微，故本實驗無需在通風櫥或鐘罩內(nèi)進行。

參考文獻：

［1］雷玉芳.鋁熱反應實驗的改進［J］.化學教學，2003，（1）：16～17.

［2］俞遠光.鋁熱反應實驗的改進［J］.化學教育，2014，（23）：59.

［3］孫海龍，于永民.鋁熱反應實驗裝置的再改進［J］.化學教學，2013，（8）：38～39.

［4］王屹.鋁熱反應的實驗改進［J］.化學教學，2010，（9）：3～4.

［5］趙柏喆，趙麗娜.鋁熱反應實驗的改進與創(chuàng)新［J］.山東化工，2021，（22）：194～196.

［6］但世輝，李斌.鋁熱反應的實驗改進［J］.化學教育，2013，（5）：62.

［7］邵文兵.鋁熱反應的微型實驗研究［J］.中國教育技術裝備，2006，（4）：6～8.

［8］趙東洋.“泥漏斗”中的鋁熱反應［J］.中學化學教學參考，2017，（9）：2.

［9］郭洪燃，李晨晨.鋁熱反應及用途的一體化設計［J］.中小學實驗與裝備，2017，（1）：41～42.

［10］朱建兵，李勝榮，袁春仙.“鋁的性質(zhì)”教學實錄及反思［J］.化學教學，2011，（8）：31～33.