借助球形干燥管进行铝热反应实验
作者： 朱玉忠 石磊 李德前
摘 要：为了提高实验教学的有效性，丰富中学化学实验教学资源，对化学教材上编排的铝和氧化铁反应的实验进行了改进，增补了铝和氧化铜反应的实验。新设计的两个铝热反应实验，选用球形干燥管作反应容器，借助鞭炮引燃铝热剂，利用瓷砖接收反应产生的熔融物。改进后的实验具有很强的安全性、简便性、可视性和观赏性，有利于学生认识铝热反应的原理及其应用。
关键词：铝与氧化铁反应；铝与氧化铜反应；铝热实验；球形干燥管
文章编号：1005-6629（2024）09-0074-04
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
现行各版本的中学化学教科书都编排有金属铝在高温下还原金属氧化物的铝热反应实验。该实验通常是把铝粉、氧化铁粉末放入纸漏斗里，借助镁带和氯酸钾引燃铝热剂，利用盛有细沙的蒸发皿接收反应产生的熔融物（实验装置见图1）。铝热反应令人震撼的实验现象，有利于学生认识“金属铝具有强还原性”的化学性质。
上述实验中，使用纸漏斗作为反应容器，不仅产生较多的烟尘，而且其开放的结构还容易造成熔融物飞溅；用直立的镁条引燃铝热剂，镁条有时不能持续燃烧，造成铝热反应不能顺利发生，镁燃烧的耀眼白光还会影响学生观察实验现象。另外，由于蒸发皿是不透明的陶瓷仪器，致使学生难以观察到反应生成了“流动的铁水”。因此，很多一线化学教师对此实验进行了改进。
1 已有的实验改进
查阅有关的文献发现，对铝热反应实验的改进主要表现在以下几个方面：
（1） 改变引燃剂。如雷玉芳、俞远光等，使用强氧化剂（浓硫酸、高锰酸钾、过氧化钠、硝酸钾等）与易燃物（蔗糖、甘油、无水乙醇、木炭粉等）组成新的引燃剂［1，2］，通过剧烈的氧化反应放热，触发铝热反应的发生。
（2） 更换反应容器。如孙海龙、王屹等，分别使用铁漏斗或水泥漏斗、b形熔点测定管、空心砖等代替纸漏斗进行实验［3，4］，避免了滤纸燃烧，减少了烟雾的伴生，优化了实验装置。
（3） 设计环保体系。如赵柏喆、但世辉等，分别利用塑料包装盒、倒置的漏斗、无底试管等作为吸烟罩［5，6］，以减少实验过程对环境的污染。
（4） 实验装置微型化。如邵文兵、赵东洋等利用粉笔、泥漏斗等构成微型实验装置［7，8］，节省了实验药品，提高了实验的安全性。
（5） 增强实验的趣味性。如郭洪燃、朱建兵等，在实验中增加焊接铁钉或铁丝的现场操作［9，10］（装置见图2），使实验生动、有趣，能促进学生认识到铝热反应的实际应用（如冶炼金属、焊接铁轨等）。
以上改进实验虽然还有不足，但其中的创新元素为我们进一步优化实验提供了有益的参考。
2 铝热实验的新设计
在实验教学中，我们不仅改进了铝和氧化铁反应的铝热实验，还设计了铝和氧化铜反应的铝热实验，并取得了非常理想的实验效果。新实验装置的反应容器为25mL的普通球形干燥管，在球形管内装入铝热剂（铝粉与金属氧化物粉末的混合物），在铝热剂的上部插入剪掉尾部的小鞭炮；反应过程中产生的熔融物流到瓷砖上，冷却后形成较大的水滴状金属颗粒。
2.1 铝和氧化铁的反应
2.1.1 实验用品
主要有25mL的球形干燥管，铁架台（附铁夹），60cm×60cm的瓷砖，药匙，镊子，脱脂棉，火柴或电子打火枪；铝粉，氧化铁粉末，鞭炮
2.1.2 实验装置
新设计的实验装置如图3所示（铁架台省略，下同）。
2.1.3 实验步骤
（1） 取一个25mL的球形干燥管，用镊子将少许棉花塞入球形管与细管的连接处，以封闭球形干燥管的下部。
（2） 用药匙取适量的氧化铁粉末与铝粉的混合物（两者的质量比约为5∶2，铝粉稍过量），将其装入球形干燥管中，注意使铝热剂充满球形管并占据粗管容积的1/5。
（3） 取一个粗细约0.5cm的小鞭炮，从其尾部剪掉1/4（保留上部及炮捻），再将其插入铝热剂中（插入深度约0.5cm即可）。
（4） 取一个铁架台，在铁架台的底板上放置一块60cm×60cm的瓷砖。再将装好铝热剂的球形干燥管固定在铁架台上，注意使球形干燥管的细管正对着瓷砖的中部，并且细管的管口距离瓷砖10cm左右。
（5） 点燃鞭炮的炮捻，鞭炮中火药燃烧，向下呲花，进而触发铝热反应。此时可观察到反应异常剧烈，干燥管上、下管口均火花四溅，粗管口向上溅出的火花近1m高，如燃放烟花一般；球形干燥管炽热发红（但不会出现想象中的玻璃管爆裂现象），流下的炽热液体通体透红并闪耀着火花；熔融物落在瓷砖上形成水滴状，稍冷却，水滴状熔融物凝结成具有金属光泽的灰黑色固体颗粒（高约0.4cm、直径约2cm）。另外，干燥管的内壁与熔融物结合，形成具有银灰色金属光泽的镜面。
（6） 待产物冷却到室温后，用镊子取下水滴状固体颗粒，交由学生近距离观看。再用磁铁靠近固体颗粒，发现能被磁铁吸引。据此现象和质量守恒定律推测，该实验确实有铁生成（有关反应的化学方程式是2Al+Fe2O3高温2Fe+Al2O3）。
2.2 铝和氧化铜的反应
2.2.1 实验用品
主要有25mL的球形干燥管，铁架台（附铁夹），60cm×60cm的瓷砖，药匙，镊子，脱脂棉，火柴或电子打火枪；铝粉，氧化铜粉末，鞭炮
2.2.2 实验装置
新设计的实验装置如图4所示。
2.2.3 实验步骤
（1） 按图4装好药品（氧化铜粉末与铝粉的质量比约为3∶1，铝粉稍过量），连好装置。其余操作（如封闭球形干燥管下部等）同上。
（2） 点燃鞭炮，火药燃烧引发铝热反应。观察到铝热剂剧烈燃烧，比“铝粉与氧化铁的反应”还要剧烈，球形干燥管的粗管口溅出的火花更多、更高；反应产生的红色熔融物从球形干燥管的细管流下，落到瓷砖上，形成金黄色水滴状的固体颗粒（高约0.4cm、直径约1.8cm）。根据反应现象和质量守恒定律可以推知，该实验确实有铜生成（有关反应的化学方程式是2Al+3CuO高温3Cu+Al2O3）。
（3） 待产物冷却到室温后，用镊子取下金黄色水滴状固体颗粒，交由学生近距离观看。另外，还可以观察到干燥管的内壁与熔融物结合，形成金黄色的镜面。
3 注意事项
（1） 本实验中，加入的铝热剂粉末要装满球形部分，并占据粗管容积的1/5，这样既保证铝热剂足量，又便于插入鞭炮。但是铝热剂也不能过多，以防反应过于剧烈，发生危险。
（2） 用作引火剂的鞭炮，必须剪去尾部，千万不能将一个完整的鞭炮插入铝热剂中，以防点火时发生爆炸。另外，点燃炮捻后，操作者应立即后退到离实验装置1米以外的地方，以防熔融物溅到身上。
（3） 为了确保实验安全，实验台周围不能有易燃物，实验装置要远离照明和电教设备（至少2.5m）；为了防止反应产生的火花溅到实验台上，瓷砖的大小至少达到60cm×60cm。
（4） 球形干燥管的细管口距离瓷砖不能少于8cm左右（10cm比较合适），以防熔融物流下时将细管口与瓷砖粘合在一起。
4 实验的优点
（1） 本实验使用底部封闭的球形干燥管作为反应容器，使得药品集中、受热充分，有利于铝热反应的爆发与推进；虽然反应非常剧烈，但由于反应体系相对封闭，使得实验过程较为安全。另外，经历1500℃以上的高温洗礼，球形干燥管的内壁能形成具有金属光泽的银镜（或铜镜）外观，丰富了实验现象。
（2） 球形干燥管上粗、下细的结构，有利于反应产生的熔融物沿着下端的细管顺利流下；球形干燥管作为透明的玻璃仪器，能使实验现象清晰地呈现在学生眼前。
（3） 瓷砖表面洁净，没有细沙的干扰，有利于熔融物在瓷砖上形成较大的水滴状金属颗粒，避免了“铝热反应放烟花，不见铁水只见沙”的尴尬场景。另外，瓷砖表面积较大（3600cm2），有利于保护实验台面。
（4） 采用带有炮捻的鞭炮引燃铝热剂，引火时间较为充足，克服了镁带引燃的不确定性。
（5） 增补“铝和氧化铜反应”的铝热实验，能拓展学生的学科视野，强化铝热反应的内涵认识。
（6） 实验过程产生的烟雾较少，造成的污染微乎其微，故本实验无需在通风橱或钟罩内进行。
参考文献：
［1］雷玉芳.铝热反应实验的改进［J］.化学教学，2003，（1）：16～17.
［2］俞远光.铝热反应实验的改进［J］.化学教育，2014，（23）：59.
［3］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）：38～39.
［4］王屹.铝热反应的实验改进［J］.化学教学，2010，（9）：3～4.
［5］赵柏喆，赵丽娜.铝热反应实验的改进与创新［J］.山东化工，2021，（22）：194～196.
［6］但世辉，李斌.铝热反应的实验改进［J］.化学教育，2013，（5）：62.
［7］邵文兵.铝热反应的微型实验研究［J］.中国教育技术装备，2006，（4）：6～8.
［8］赵东洋.“泥漏斗”中的铝热反应［J］.中学化学教学参考，2017，（9）：2.
［9］郭洪燃，李晨晨.铝热反应及用途的一体化设计［J］.中小学实验与装备，2017，（1）：41～42.
［10］朱建兵，李胜荣，袁春仙.“铝的性质”教学实录及反思［J］.化学教学，2011，（8）：31～33.