对铝与盐酸反应中灰色物质的探究，本文主要内容关键词为：盐酸论文,灰色论文,物质论文，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。
一、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，笔者演示该实验时，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？”笔者带着这个问题和同学们一起走进了实验室。
二、物质的分析
“灰色物质究竟是什么？”实验前大家先进行讨论，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。
1.物质的制备
用较大量的铝和少量的盐酸反应，加热，产生大量灰色物质。实验后离心、过滤、洗涤，将灰色的物质提取备用。
2.物质的鉴定
（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？我们用含量不少于99.5％的铝箔（Si…0.15；Cu…0.015；Fe…0.015；N…0.05，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）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 │
├──┼─────────────┼─────────┤
││少量灰色物质加入10mL │灰色物质溶解，并有│
│① │3mol/L盐酸溶液│气泡产生 │
├──┼─────────────┼─────────┤
││少量灰色物质加入10mL │灰色物质溶解，并有│
│② │3mol/L氢氧化钠溶液│细密气泡产生 │
├──┼─────────────┼─────────┤
││少量实验①中的溶液，逐滴 │先有白色沉淀生成，│
│③ │滴入1mol/L氢氧化钠溶液│后溶解，溶液澄清 │
├──┼─────────────┼─────────┤
││少量实验②中的溶液，逐滴 │先有白色沉淀生成，│
│④ │滴入1mol/L盐酸溶液│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；与酸生成的物质，与碱可生成白色沉淀，又能溶于过量的碱；与碱生成的物质，与酸反应生成沉淀，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A1[，3+]的鉴定实验，对学生实验结论进一步肯定。
取少量灰色物质与盐酸反应后的溶液，在醋酸及醋酸铵的弱酸性溶液中（pH=4～5），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生成。由此可知，灰色物质与盐酸反应后生成铝盐，结合学生的四组实验，可以确认灰色物质便是铝粉。
三、原因的探究
铝是一种比较活泼的金属。铝的标准电极电位E[，A][φ]=-1.67V，E[，R][φ]=-2.35V。
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℃）
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│编号│实验内容│实验现象 │
├──┼──────────┼─────────────┤
│││开始几乎不反应，加热片刻，│
│① ││反应即产生，反应很剧烈，有│
││5g粗铝片（过量）与 │大量气泡生成，同时有大量 │
││15mL 1mol/L HCl │灰色物质产生 │
├──┼──────────┼─────────────┤
│② │5g粗铝片（过量）与 │反应立即产生，反应很剧烈，│
││15mL 3mol/L HCl │有大量灰色物质和气泡产生 │
├──┼──────────┼─────────────┤
││5g 99.5％铝箔（过
│有少量气泡产生，加热煮沸，│
│③ │量）与15mL 0.1mol/L │产生气泡速率稍大，溶液一 │
││HCl │直澄清│
├──┼──────────┼─────────────┤
│││开始没有明显现象，历时2
│
││5g 99.5％铝箔（过
│小时后，温度上升，反应逐渐│
│④ │量）与15mL 1mol/L
│剧烈，产生气泡，并伴有大量│
││HCl │灰色物质生在，且有少量的 │
│││金属光泽小块状物质产生， │
│││反应完毕后，不消失│
├──┼──────────┼─────────────┤
││5g 99.5％铝箔（过
│开始没有明显现象，历时1
│
│⑤ │量）与15mL 3mol/L
│分钟后，反应逐渐剧烈，产生│
││HCl，加热
│气泡，并伴有大量灰色物质 │
│││生成，反应完毕后，不消失 │
├──┼──────────┼─────────────┤
││5g 99.5％铝箔（过
│开始有少量气泡生成，历时 │
│⑥ │量）与15mL 6mol/L
│3分钟后，反应逐渐剧烈，产 │
││HCl │生气泡，并伴有大量灰色物 │
│││质生成，反应完毕后，不消失│
├──┼──────────┼─────────────┤
│││开始有少量气泡生成，历时 │
│⑦ │2g 99.5％铝箔与 │3分钟后，反应逐渐剧烈，产 │
││60mL 6mol/L HCl │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。
2.Cl[-]对氧化膜的影响
“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[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
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│编号 │实验内容 │实验现象 │
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│ │5g 99.5％铝箔（过量） │开始有少量气泡生成，历时3 │
│ │与15mL 6mol/L HCl │分钟后，反应逐渐剧烈，产生│
│①│ │大量气泡，有铝粉产生 │
│ ├───────────┼─────────────┤
│ │5g 99.5％铝箔（过量） │开始没有明显现象，历时3
│
│ │与15mL 3mol/L │分钟后，反应逐渐开始，产生│
│ │H[，2]SO[，4] │少量气泡。加热，有铝粉产生│
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│ │5g 99.5％铝箔（过量） │产生气泡，加热反应加快，有│
│②│与15mL 3mol/L HCl │铝粉产生 │
│ ├───────────┼─────────────┤
│ │5g 99.5％铝箔（过量） │几乎不反应，加热后反应，冷│
│ │与15mL 1.5mol/L
│却后不反应│
│ │H[，2]SO[，4] │ │
└───┴───────────┴─────────────┘
从上述实验我们发现：[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
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│编号│实验内容│实验现象│
├──┼────────────┼──────────┤
││将去膜的铝片（少量）与 │反应剧烈，产生大量气│
│① │3mol/L HCl反应 │泡，有铝粉析出 │
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││将去膜的铝片（少量）与 │起初能反应，后又停止│
│② │1.5mol/L H[，2]SO[，4] │ 反应 │
└──┴────────────┴──────────┘
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[-]、SO[，4][2-]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，若水中存在阴离子，它们将移向金属表面，而把密集层中的水分子替换出来，阻止氧化膜的形成。由于Cl[-]这种替换能力较其他复杂阴离子（如SO[，4][2-]、NO[，3][-]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他离子强，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。使铝的电极电位变小而活性大增，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Al[3+]形成配离子[AlCl[，4]]，也容易使氧化膜破坏。
所以我们使用的铝片（铝箔）与盐酸反应速率较快，容易析出铝粉。
3.晶体结构的影响
铝是六方紧密堆积，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溶液中析出。当酸过量时，完全溶解。
“其他金属是否也有呢？”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
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│编号│ 实验内容│实验现象 │
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││ 镁（足量）与│产生大量气泡，加热，反应变快，│
│① │ 3mol/L HCl
│有较大的残片剩余 │
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││ 铁（足量）与│有气泡产生，加热，反应变快，铁│
│② │ 3mol/L HCl │表面变黑，无金属粉末析出 │
├──┼───────┼───────────────┤
││ 锌（足量）与│有气泡产生，加热，反应变快，锌│
│③ │ 3mol/L HCl │表面变黑，无金属粉末析出 │
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此组实验证明：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。