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1、对铝与盐酸反应中灰色物质的探究(2009-08-23 20:34:10)转载标签：铝盐酸灰色物质研究分类：化学论文摘要：本文就铝与盐酸反应实验过程中产生的灰色物质是什么，及产生的原因进行了探究。从反应速率的影响、Cl对氧化膜的影响、晶体结构的影响三个方面对灰色物质的产生进行了分析探究，了解到灰色物质是反应过程中产生的铝粉，反应速率、Cl、晶体结构是其产生的重要因素。关键词：铝； 盐酸；灰色物质 ； 探究1、问题的提出铝与酸碱反应是中学化学中学生的一个分组试验，全日制普通高级中学教科书（必修加选修）化学第二册第四章“几种重要的金属”介绍金属铝能与稀盐酸反应生成氢气，但没有描述实验现象。笔者演示该
2、实验时，发现实验现象为：铝片（粗铝）与1mol/L盐酸刚开始几乎不反应，稍微加热，片刻反应即发生，且程度剧烈，有大量气泡生成，同时混有大量灰色物质产生，此时溶液浑浊。当盐酸过量，反应完毕后溶液变澄清。“灰色物质是什么？”很多同学大声提问。笔者带着这个问题和同学们一起走进了实验室。2、物质的分析“灰色物质究竟是什么？”实验前笔者反问学生，于是大家议论纷纷，最后得出两种代表性意见：1、灰色物质可能是杂质；2、从表面观察，可能是铝粉。带着这些问题，笔者引导同学们设计实验，进行验证。2.1、物质的制备：“巧妇难为无米之炊”，做物质的鉴定之前，必须制备一定量的灰色物质。因为酸过量，灰色物质溶解，所以必须
3、用较大量的铝和少量的盐酸反应，加热，才有大量灰色物质生成。实验后离心、过滤、洗涤，将灰色的物质提取备用。2. 2、物质的鉴定2. 2.1、杂质的排除是否是因为演示时使用的铝片纯度不够，灰色物质是杂质呢？实验室老师为我们提供了含量不少于99.5%的铝箔(Si0.15;Cu0.015;Fe0.015;N0.05,天津市化学试剂科贸公司)，做同样的实验，现象为：同样有大量气泡生成，同时伴有大量灰色物质产生。此实验证明灰色物质是杂质的可能性很小，可以排除。2. 2.2、铝粉的确认铝粉的可能性很大，同学们结合高中所学知识，设计了以下 4个对比实验：表1灰色物质与盐酸、氢氧化钠反应编号实验内容实验现象少量
4、灰色物质加入10ml3mol/L盐酸溶液灰色物质溶解，并有气泡产生少量灰色物质加入10ml3mol/L氢氧化钠溶液灰色物质溶解，并有少气泡产生少量实验中的溶液，逐滴滴入1mol/L氢氧化钠溶液先有白色沉淀生成，后溶解，溶液澄清少量实验中的溶液，逐滴滴入1mol/L盐酸溶液先有白色沉淀生成，后溶解，溶液澄清由以上4个实验我们发现：该灰色物质既能与酸反应，又能与碱反应；与酸生成的盐与碱可生成白色沉淀，又能溶于过量的碱；与碱生成的物质能与酸反应生沉淀，又能溶于过量的酸。由此同学们认为该灰色物质是铝粉。笔者结合大学分析化学所学知识，做了一个Al3+的鉴定实验，对学生实验结论进一步肯定。取少量灰色物质与
5、盐酸反应后的溶液，在醋酸及醋酸铵的弱酸性溶液中（PH=45），加入金黄色素三羧酸铵（铝试剂），溶液呈红色；加氨水使溶液呈碱性并加热，促进鲜红色絮状沉淀的生成。由此可知，灰色物质与盐酸反应后应是铝盐，结合学生的四组实验，可以确认灰色物质便是铝粉。3、原因的探究铝是一种比较活泼的金属。铝的还原电极电位EA1.67V，EB2.35V，所以铝既能与酸反应，又能与碱反应。3.1、速率对反应的影响因为反应加热后才产生大量铝粉，同学们认为是否产生铝粉与反应速率有关，于是设计以下7个实验进行分析验证。表2不同条件下的铝与盐酸反应的实验（室温15）编号实验内容实验现象5g粗铝片(过量)与15ml 1mol/LH
6、Cl开始几乎不反应，加热，片刻反应即发生，反应程度剧烈，有大量气泡生成，同时混有大量灰色物质产生5g粗铝片(过量)与15ml 3mol/LHCl片刻反应即发生，反应程度剧烈，有大量灰色物质和气泡产生5g99.5%铝泊(过量)与15ml 0.1mol/LHCl有少量气泡产生,加热煮沸,产生气泡速率稍大,溶液一直澄清5g99.5%铝泊(过量)与15ml2mol/LHCl开始没有明显现象，历时2小时后，反应逐渐剧烈，产生气泡，并伴有大量灰色物质生成，且有少量的金属光泽小块状物质产生，反应完毕后，不消失5g99.5%铝泊(过量)与15ml3mol/LHCl，加热开始没有明显现象，历时1分钟后，反应逐渐
7、剧烈，产生气泡，并伴有大量灰色物质生成，反应完毕后，不消失5g99.5%铝泊(过量)与15ml6mol/LHCl开始有少量气泡生成，历时3分钟后，反应逐渐剧烈，产生气泡，并伴有大量灰色物质生成，反应完毕后，不消失2g99.5%铝泊与60ml6mol/LHCl，开始有少量气泡生成，历时3分钟后，反应逐渐剧烈，产生大量气泡，并伴有大量灰色物质生成，反应完毕后，灰色物质消失，溶液澄清从以上7个实验同学们分析得出：加快反应速率有利于反应中产生铝粉。改变反应速率的因素有：升高温度、构成原电池、增加固体的表面积、提高反应物的浓度。3.2、Cl对氧化膜的影响铝是亲氧元素，2Al32O2Al2O3，fH（Al
8、2O3S）1669.7KJmol。铝一接触空气或氧气，其表面就立即被氧气氧化成氧化膜。“是否只有盐酸才能与铝反应，析出铝粉，硫酸可以吗？”同学们提出疑问，于是设计了一组C（H）相等的盐酸和硫酸的对比试验。表3铝与盐酸、硫酸实验的比较编号实验内容实验现象5g99.5%铝泊(过量)与15ml6mol/LHCl开始有少量气泡生成，历时3分钟后，反应逐渐剧烈，产生大量气泡，有铝粉析出5g99.5%铝泊(过量)与15ml3mol/LH2SO4开始没有明显现象，历时3分钟后，反应逐渐开始，产生少量气泡。加热，有铝粉析出5g99.5%铝泊(过量)与15ml3mol/LHCl产生气泡，加热反应加快，有铝粉析出
9、5g99.5%铝泊(过量)与15ml1.5mol/LH2SO4几乎不反应，加热后反应，冷却后不反应从上述实验我们发现：C（H）相等的盐酸、硫酸与铝反应的速率是有差异的。“为什么会有差异呢？”同学们一下子又被这个突然出现的问题激起了兴趣，议论纷纷。“铝与酸反应的实质是铝与H反应，H浓度相同，反应速率应该一样，问题是不出现在铝上面呢？铝易氧化，表面有一层致密的氧化膜，问题是否出现在氧化膜上面呢”同学们于是设计了以下一组实验：表4去膜的铝与盐酸、硫酸实验的比较编号实验内容实验现象将去膜的铝片（少量）与3mol/LHCl反应反应剧烈，产生大量气泡，有铝粉析出将去膜的铝片（少量）与1.5mol/LH2S
10、O4的应起初能反应，后又停止从上述实验，我们不难发现，盐酸、硫酸与铝反应的速率的差异很大程度上取决于Cl、SO42的影响。通过查阅大量的资料，得出以下结论：铝表面的氧化膜不仅能被H所破坏，也能被酸溶液中的阴离子所破坏。不同的阴离子破坏能力不同，而Cl对氧化膜的破坏能力较其他阴离子强。表现在以下两个方面：(1)、阻止氧化膜的形成：铝片不仅在空气中可形成氧化膜，也可在水溶液中被溶解的氧气或者水溶液中的水所氧化形成致密氧化膜。铝片与极性水分子接触，水分子进行定向排列，氧原子离金属中铝最近，金属表面的铝离子穿过膜面进入密集排列的氧原子之间。铝离子与水分子结合时将H取代出来，形成氢氧化物膜，使保护膜加厚
11、，若水中存在阴离子，它们将移向金属表面，而把密集陈中的水分子替换出来，阻止氧化膜的形成。由于Cl这种替换能力较其它复杂阴离子（如SO42、NO3等）强，因此铝放在含有Cl的溶液中不易形成保护膜。(2)、破坏已生成的氧化膜：因为Cl穿过膜孔或裂缝的能力比其它离子强，同时还能使氧化膜呈胶状分散状态，从而增加了Cl的穿膜机会。当Cl进入金属铝表面。使铝的电极电位降低而活性大增，从而形成原电池（氧化膜成为原电池的正极），加速了反应。另外，Cl有较强的配位能力，易与Al3+形成配离子AlCl4，也容易使氧化膜破坏。所以我们使用的未去膜的铝片与盐酸反应速率较快，容易析出铝粉。3.3、晶体结构的影响铝是六方
12、紧密堆积，其堆积系数是0.6802，晶体结构中空隙较大，而且铝密度小，原子半径较大（ 143pm），化学性质比较活泼，当反应速率较快时，随氢气带出的纯铝粉来不及反应而在反应中析出。当酸过量时，完全溶解。“其它金属是否也有呢？”同学们再一次发出疑问。在笔者的指导下，同学们取常见的金属又做了一组对比实验。表5镁、铁、锌与盐酸反应编号实验内容实验现象镁（足量）与3mol/LHCl产生大量气泡，反应速率，加热，有较大的残片剩余铁（足量）与3mol/LHCl有气泡产生，加热，反应变快，铁表面变黑，无金属粉未析出锌（足量）与3mol/LHCl有气泡产生，加热，反应变快，锌表面变黑，无金属粉未析出此组实验证
13、明：并不是所有的金属都有此现象，也并不是一味提高反应速率就能实现，还与晶体自身的结构有关。4、探究的收获通过师生共同合作，使课堂出现的问题在实验室得到圆满解决。收获有以下几点：（1）实验为学生提供了发现问题、解决问题的机会，为培养学生的创造力创造了条件。（2）证明了一个哲学规律：“理论源于实践，实践又是检验真理的唯一标淮。”通过实验探究，培养了学生严谨的科学态度，和勇于探索真理的精神。（ 3）培养了同学间的团结协作精神、共同解决的问题的能力。师生共同合作，取长补短，共同进步的平等师生关系。（4）最大限度的发挥实验在化学教学中的作用，更好的理解了化学是一门以实验为基础的自然科学。参考文献1 华中师范大学、东北师范大学、陕西师范大学编.分析化学（第二版）.北京：高等教育出版社,19952王麟生主编.化学性质素手册.北京：科学技术文献出版社,20023林美凤.铝与酸、碱反应的实验探索及理论研究.化学教育，2001，12：3536此文发表在华东师范大学主办化学教学2004年第3期，并被中国人民大学主办中学化学教与学2004年第9期转载
