铝片长毛实验中几个问题的解惑，本文主要内容关键词为：长毛论文,几个问题论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
铝片长毛实验（又称铝毛刷实验）是颇受中学师生关注的一个趣味实验。全国2007年化学高考（上海卷）出了一道“长白毛”的考题（18题）：用一张已除去表面氧化膜的铝箔紧紧包裹在试管外壁（如右图），将试管浸入硝酸汞溶液中，片刻取出，然后置于空气中，不久铝箔表面生出“白毛”。红墨水柱的右端上升。根据实验现象判断下列说法错误的是：
A.实验中发生的反应都是氧化还原反应；
B.铝是一种较活泼的金属；
C.铝与氧气反应放出大量的热量；
D.铝片上生成的白毛是氧化铝和氧化汞的混合物。
该题的正确选项是“D”，因为白毛中不会有氧化汞。做该实验的成功率较高，但有些师生对该实验现象的成因不太了解，如有人曾问：该实验为什么要先将铝片浸入硝酸汞溶液中？为什么会这么快地长出白毛？这白毛是什么晶格的氧化铝？……
众所周知，铝是一种较活泼的金属，接触空气时其表面很容易被空气中的氧气氧化生成一层致密的极薄的氧化铝，该层氧化铝保护了内部的金属铝不会被继续氧化。在铝片长毛实验中，当铝的表面沾上硝酸汞溶液以后，硝酸汞溶液的酸性会慢慢破坏该保护层，并进一步与铝发生置换反应，生成液态金属——汞，汞在常温下可以与铝结合生成铝汞合金（又称作“铝汞齐”）。汞可以溶解许多金属，如Na、K、Ag、Au、Zn、Cd、Sn、Pb等而形成汞齐，因组成不同，汞齐可呈液态或固态。在本实验中仅是铝表面生成一薄层铝汞齐，实验中的铝片仍为固体，用肉眼也观察不到有液态汞齐存在。铝表面生成铝汞齐后就难再形成致密的氧化铝保护膜了，并失去该膜的保护作用，很快会被空气中的氧气氧化成白色的氧化铝。当铝汞齐表面的铝因氧化而减少时，铝箔上的铝原子便会不断溶解进入铝汞齐，使铝持续不断地在表面被氧化。被氧化后的产物氧化铝会脱离汞齐向外侧不断叠加堆积，表面积大大增加。所以在该实验中，长高的“白毛”是氧化铝，而不是铝汞齐或氧化汞。铝汞齐起了不断传送铝原子与空气中氧起反应的作用。该反应的反应式为：
（该汞又会形成新的铝汞齐）[1]
从上述介绍中可以知道，硝酸汞溶液的作用是破坏铝表面的保护膜并与铝发生置换反应产生单质汞，汞又进一步与铝生成铝汞齐。
利用铝汞齐不仅可以使铝片快速生锈，还可用来演示铝与水反应产生氢气的实验。具体方法是：
①取一宽1cm、长10cm、厚约1mm的铝片，用砂纸打磨表面后绕成螺旋状，放入1∶2盐酸溶液中，会有气泡产生，约1min后取出用蒸馏水冲洗（要冲洗干净）。
②将除去氧化膜后的铝片，放入近饱和的
溶液中约1～2min，铝片表面会呈浅灰色，取出再用蒸馏水冲洗干净。
③将表面汞齐化的铝片迅速放入J型管的短管中，在短管端口处插上涂有凡士林的活塞，将活塞置于开启状态，由长管口处加入近饱和的NaCl溶液，排尽活塞处的空气，关闭活塞。一开始有细小的无色气泡生成，大约3min后产气速度加快（因为溶液温度在上升，加上溶液中的氯离子效应，使反应速度加快），此时有大量的气泡逸出，长管中的液面上升，短管中液面下降；同时，有灰白色絮状沉淀生成向上浮动。
④产生的无色气体约8mL时（约需要10min左右），打开活塞，点燃（如右图），可见气体燃烧（是氢气燃烧）。
⑤可继续做长白毛实验：
将上述反应过的铝片取出，用滤纸轻轻的吸除表面溶液，置于桌面上，过一会儿，可见铝片表面长出胡须状的“白毛”（如右图）。此时，触摸铝片，会感觉到铝片发热。上述铝与水反应的相关反应式为：
（该汞又会形成新的铝汞齐）
铝是亲氧元素，铝与氧自发反应的趋势很强。通过查阅相关资料[2]可知道：铝的标准电极电势在酸性溶液中为-1.676 V、在碱性溶液中为-2.300V；
。所以一旦在铝片表面形成铝汞齐，仅几分钟时间即可长出1～2cm的胡须状的氧化铝“白毛”。该白毛长出的速度还和环境的温度及空气的湿度等因素有关，如在冬天低温、空气干燥时做该实验，白毛的生成速度就很慢。
为一种白色、难溶于水的固体，它有多种晶型，其中主要有
。
，晶体属于六方密堆积构型，晶格能大，熔点高，硬度大，化学性质不活泼，故又称“非活性氧化铝”，其量几乎占全部氧化铝的90%以上。而
晶体属于面心密堆积构型，晶格能小，化学性质活泼，故又称为“活性氧化铝”[3]。活性氧化铝是一类多孔物质，具有密度低，比表面积大，孔隙率大的特性。除了，活性氧化铝还有其他多种晶型结构和名称。故氧化铝有多种规格及制备方法，它们的表面性质如比表面积、微孔结构、孔容、孔径分布等也有很大差异，从而导致表面活性的极大差异。利用这一特点制造出各种类型的活性氧化铝可作为多种用途的催化剂、催化剂载体或吸附剂，用以满足化工生产的需要。
在中学化学实验中活性氧化铝也是被选用的催化剂之一。如全国中学化学新教材（人教版、苏教版）和上海市中学化学新教材（上科版）等都编有石蜡催化裂化实验，该实验用到的氧化铝催化剂就必需选用“活性氧化铝”。那么铝片上的“白毛”是，还是？笔者将铝汞齐表面刚长出的新鲜“白毛”用竹刀刮下，用X－射线衍射仪测试分析（X－射线衍射仪是利用X射线衍射原理研究物质内部微观结构的一种大型分析仪器，应用于精确测定物质的晶体结构，精确地进行物相分析），发现这些“白毛”中确实不见HgO的晶格（HgO为正交晶系），但也不见氧化铝中最常见的及晶格，“白毛”的成分是一种无定形的水合氧化铝(
)。为了进一步验证，笔者做了如下二个实验。实验①：取赤豆大小新制得的氧化铝“白毛”置于一小试管中，加入1mL 1∶1的盐酸，振荡试管，可观察到“白毛”迅速溶解了。查文献资料[3]可知：不溶于酸和碱，微溶于酸和碱，而无定形水合氧化铝可溶于酸。实验②：用干净、干燥的坩埚称取了0.1224g新制得的氧化铝“白毛”，置于500℃烘箱内加热至恒重，“白毛”脱水后的重量变成0.0614g。可知新制得的“白毛”——水合氧化铝中的含水量近达50%，式中的n值约为5.6（资料[1]显示该中的n值是不恒定的）。由于白毛氧化铝的含水量高，做一次铝片长毛实验所得到的的量又极少，故选其作为活性催化剂的制备实验就很不方便。为此，我们选用J形管做上述实验：即将表面汞齐化的较厚的铝片放入烧杯的食盐水中，使之较长时间反应，然后取出残留铝片，将溶液中沉淀物经过抽滤（抽干）、用水洗涤、再抽干，最后将其置于550℃烘箱内加热、脱水至恒重（约30min），即可得到活性氧化铝，这样做一次可获得较多的产物。我们将制得的白色氧化铝再次送入X－射线衍射仪作测试分析，检测结果是该白色氧化铝主要由和无定形组成。有资料[4]显示，铝汞齐制备法也是化工厂生产活性氧化铝被选用的方法之一，当然实际生产的工艺流程复杂得多，与上述实验过程有很大不同，但反应原理基本相同——由铝汞齐法制得的氢氧化铝沉淀，再脱水成活性氧化铝。反应式为：
《化学教学》2008-12期p10上有一篇题为“对乙烯加成实验的绿色化改进”的文章（作者：林绳轩、张爱武），文中对人教版新教材化学必修2中的“石蜡油的催化裂化”实验作了改进（见右图）。笔者选用该改进装置和方法，在左侧干净的中号试管中放入适量用上述铝汞齐法制得的活性氧化铝粉末，胶头滴管中吸入约1mL精制煤油[5]，右侧试管加入适量酸性高锰酸钾溶液。用酒精灯集中加热（如用酒精喷灯效果更佳），到试管内温度达500℃左右时，逐滴（慢慢地）滴加精制煤油。可观察到右侧试管内气泡不断产生，很快高锰酸钾溶液褪色。然后再用少量石英砂替代活性氧化铝粉末做一次对照实验，则高锰酸钾溶液褪色速度明显变慢了。说明用上述铝汞齐法自制的活性氧化铝粉末，对烷烃的裂化有较好的催化作用。
