铝与酸、碱反应的实验探索及理论研究，本文主要内容关键词为：理论研究论文，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。
1 问题的提出
铝与酸、碱反应是中学化学中的一个学生分组实验。当学生将铝片分别与同浓度的氢氧化钠、盐酸、稀硝酸、稀硫酸反应时，发现铝片与氢氧化钠溶液反应较快，有大量的气体产生。与盐酸的反应速率次之，但放置片刻后仍然可观察到有大量的气体产生。与稀硫酸、稀硝酸几乎不反应。这与课本中学到的知识（氧化铝是两性氧化物，既能与酸反应，又能与碱反应；单质铝也既能与酸反应又能与碱反应，在常温下遇浓硫酸、浓硝酸钝化）相悖。为什么会出现上述实验现象？如何让学生弄懂事实真相呢？
2 实验的探索
表1 不同条件下铝与酸反应的实验
从上述实验可以看出：
（1）盐酸和硫酸与铝片反应的速率差异， 是由于铝片表面有一层氧化膜的缘故。
（2 ）铝片不但在空气中也可在溶液中被空气中的氧气或者水溶液中的水所氧化形成致密氧化膜。
（3）H[＋]固然可以破坏铝表面的氧化膜，但在常温下很弱。Cl[－]不但能破坏铝表面的氧化膜，还能阻止铝表面氧化膜的形成，而SO[2－][,4]则很弱。因此未去膜的铝片常温下能与盐酸反应而几乎与稀硫酸不反应。去膜的铝片与稀硫酸起初能反应，但后来铝的表面又重新被氧化而形成致密的保护膜而停止。被食盐水浸泡过的铝片氧化膜被破坏能与稀硫酸反应。
（4）溶液中的阴离子也能破坏金属表面的氧化膜。 破坏氧化膜的能力为Cl[－]＞Br[－]＞SO[2－][,4]＞NO[－][,3]。
（5）室温下，铝片被浓硫酸及浓、稀硝酸所钝化。
3 问题的研究
铝是一种比较活泼的金属。铝的还原电极
铝一接触空气或着氧气，其表面就立即被氧化成氧化铝。
通常的铝片（或铝条）表面都覆盖着一层致密的氧化铝。铝片与酸、碱反应的速率差异，不但与铝片在酸、碱中的电极电位高低有关，还与酸碱破坏氧化膜能力的差异有关。酸、碱与氧化铝反应的反应机理不同，反应速率不同；温度不同，反应速率也不同。不同的酸对氧化膜的破坏能力也有所不同。
3.1 Al[,2]O[,3]与酸、碱反应速率差异的原因
铝的晶体结构属于立方面心紧密堆积，铝表面的氧化铝晶体结构也属于立方面心紧密堆积构型。铝原子不规则地排列在由氧原子围成的八面体和四面体空穴中，氧化铝的这种晶体结构与金属铝本体的晶体结构极为相似，甚至可以看作是金属铝的晶格的延伸。因此，氧化铝薄膜与金属铝间结合得极其紧密，非常牢固，具有保护作用。这样的氧化铝不溶于水，但可溶于酸和碱，在酸溶液中，由于H[＋]和O[2－]作用，使之结合成水分子而脱离Al[3＋]的吸引，Al[3＋]也被水分子拉下来形成水合铝离子，这样Al[,2]O[,3]就溶解于酸。在碱溶液中，OH[－]对Al[3＋]发生作用，生成[Al（OH）[,4]][－]离子而脱离O[2－]的吸引，O[2－]离子则与水分子作用形成OH[－]，这样Al[,2]O[,3]也就溶解于碱了。由于这种氧化铝的铝原子是不规则地排列在由氧原子围成的八面体和四面体空穴中，在酸溶液中，当H[＋]和O[2－]结合成H[,2]O后，Al[3＋]仍然受晶体中O[2－]强烈吸引，较难被中性的水分子拉下来形成水合铝离子，所以在酸中溶解Al[,2]O[,3]较慢；在碱溶液中，OH[－]对Al[3＋]强烈吸引，结合成[Al（OH）[,4]][－]，O[2－]很易与水分子作用形成OH[－]，所以Al[,2]O[,3]就较易溶解在碱中。
3.2 与盐酸、硫酸反应速率的差异原因
铝片表面的氧化膜不但能被酸中H[＋]所破坏，也能被酸溶液中的阴离子所破坏。不同的阴离子对氧化膜的破坏能力不同，Cl[－]对氧化铝的破坏能力较其他阴离子强。主要表现在以下几方面：
（1）阻止氧化膜的形成
将铝片插入水中，这些极性水分子就会接近铝的表面，进行定向排列，氧原子离金属中铝最近。如图所示。
金属表面的Al[3＋]穿过膜面进入密集排列的氧原子之间。Al[3＋]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。如果水中存在着阴离子，它们将移向金属表面，而把密集阵中的水分子替换出来，阻止氧化膜的形成。由于Cl[－]这种替换能力较其复杂阴离子（如OH[－]、SO[2－][,4]、NO[－][,3]）为大，因此铝放在含有Cl[－]的溶液中就不易形成保护膜。
（2）破坏已生成的氧化膜
因为Cl[－]离子穿过膜孔或裂缝的能力比其他离子强，同时还能使氧化膜呈胶体分散状态，从而增加了Cl[－]离子的穿膜机会。当Cl[－]进入金属铝表面时，使铝的电极电位降低而活泼性增大，裂缝处成为原电池的负极，被氧化膜覆盖的铝的表面成为原电池的正极。由于这种原电池的作用，加快了铝的腐蚀，在这些部位就会首先被腐蚀掉。其次，由于铝片往往不纯，其中含有微量的Cu、Fe等杂质，所以这时在氧化膜已有孔隙，而含有微量杂质，则成为原电池的正极，也会促使铝的腐蚀。
另外，Cl[－]有较强的配位能力，易与Al[3＋]形成配离子[AlCl[,4]][－]，也容易使氧化膜破坏。
故未去膜的铝片与盐酸反应的速率比硫酸快。
3.3 金属的钝化
金属表面形成致密氧化物保护膜而使金属不易腐蚀的现象称为钝化。钝化膜形成的条件是：
（1）形成的表面膜必须连续的， 也就是生成氧化物的体积必须大于消耗单质的体积。即
（2）氧化膜与单质的热膨胀系数相差不大， 氧化膜的结构要致密、牢固。否则膜就容易破裂而变成不连续的结构，失去保护作用。
（3）生成的氧化物在空气中具有高强度的热稳定性。 氧化铝与铝的体积比V[,（Al[,2]O[,3]）]／V[,（Al）]＝1.28＞1，且氧化铝的热稳定性大，所以铝能形成致密的氧化物保护膜。
浓硫酸，浓、稀硝酸都具有较强的氧化性，将铝片浸入浓硫酸，浓、稀硝酸中，铝片表面被氧化，表面形成一层致密的氧化物保护膜而被钝化。加热时，因保护膜的溶解而持续地反应，冷却后，又重新形成保护膜而被钝化。当铝的表面附有汞时，就不能再形成具有连续结构的氧化物保护膜，故就失去了这种保护作用而不断地与浓、稀硫酸和硝酸反应。
4 结束语
（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）化学上的规律、理论都源于实践，并在实践中接受检验。 让学生从实验中发现问题，又通过实验探索来解决问题，培养了学生严谨的科学态度，勇于探索的精神和创造性解决问题的能力。
（3）在中学化学教学中，实验教学还停留在较低的水平。 我们教师的自身也缺少这种探索、实践、分析解决问题的能力。要提高中学化学的教学质量，首先必须提高教师自身的素质，最大限度发挥实验在化学教学中的作用。愿我们的广大化学工作者一起共同重视实验教学，更深入地分析、研究实验教学，充分挖掘实验教学的功能。