铝热反应实验的电学改进方案

铝热反应实验装置的改进

汪斌权1 于淑儿2

（1 余姚市第八中学 浙江 余姚 315430；2 宁波二中 浙江 宁波 315000）

摘要：针对教材中铝热反应实验的不足，从安全化、趣味化、生活化、绿色化等角度对铝热反应实验装置进行改进，实现了装置简约、材料易得、绿色环保、安全性高、趣味性强等目的。

关键词：铝热反应；实验装置改进；实验教学

一、实验目的

铝热反应是中学化学的一个重要演示实验。苏教版化学1（必修）教材在第68页以插图形式呈现铝热反应的现象和利用铝热反应焊接铁轨的实物图[1]，但并没有给出具体实验装置和实验操作步骤。

实验是学生学习化学知识的最有效途径。以往我们教师常采用传统的实验装置（如图1）。

图1 铝热反应实验装置

然而演示实验时我们经常遇到以下情况：镁条不易点燃，或者点燃后因火从上往下着（或因镁条质量不高）容易熄灭，且镁条燃烧时发出耀眼强光，非常刺眼，对学生眼睛有害；铝热反应是强放热反应，生成的红热熔融物常会不定向地从纸漏斗的半腰部位烧穿而出，造成产物落在下面盛沙的蒸发皿边缘而使蒸发皿破裂，或使纸漏斗打翻，铝热剂撒落而使实验失败；铝热剂和氯酸钾的用量多，产生大量的浓烟，污染教室环境。为解决上述问题，特设计了铝热反应改进装置。

二、实验仪器及药品

仪器：六角螺帽（内直径2cm左右）、铁板一块（5cm×5cm）、药匙、坩埚钳、小铁锤、磁铁、打火机。

药品：氧化铁粉末、铝粉、氯酸钾（研细）、檀香线香一根（可用佛香替代）。

三、实验装置

如图2所示，找一颗六角螺帽（如图2-a），放在一块方形铁板上（如图2-b）装入药品即可。

图2 改进后的实验装置

四、实验操作和现象

1.把六角螺帽放在一块方形铁板上。将氧化铁粉末和铝粉按质量比3:1混合均匀后，装入六角螺帽的孔内。再在铝热剂上覆盖少量氯酸钾粉末，用药匙将氯酸钾与铝热剂略为混合。

2.用打火机点燃檀香线香，用点燃的线香去引发反应，螺帽孔内先是突然冒出白烟，然后喷出红色火焰。反应剧烈。

铝热反应实验改进

一、问题的提出

高中化学课本中关于铝热反应的演示实验，红热现象因滤纸的遮挡、燃烧生成大量的烟、反应速率过快而使学生不易观察清楚，并且铁珠四溅，容易发生事故。

二、仪器和药品

蒸发皿、铁架台（带铁圈）、小试管（10cm×10mm）、3－4cm长的铁钉、氧化铁、铝粉、氯酸钾（研细）、酒精棉球（或直冲式打火机）、砂子、烧杯、药匙、坩埚钳、镊子、剪刀、火柴、砂纸、水、钉锤。

三、实验装置

四、实验步骤

1．将盛满砂子（用水润湿）的蒸发皿架在铁架台的铁圈上。

2．在小试管内装入1/2-1/3干燥的砂子。

3．用镊子向砂中插入两支去掉钉帽的铁钉（如图示），将铁钉约1/4部分留在砂外并用镊子将其靠紧。

4．在砂子上面装满按照质量比为7：2混合均匀的氧化铁粉末和铝粉，并墩实。

5．在装满药品后的小试管上部放入少量氯酸钾粉末（用药匙将氯酸钾与表面药品略为混合），并在小试管上部插入一根（约3cm）打亮的镁条。将小试管竖直插入盛有砂的蒸发皿中。 6．用酒精棉球（或直冲式打火机）点燃镁条。

7．反应完全后，用坩埚钳夹住小试管的一端并将其敲断（或趁热在砂与红热界面处滴加少量水），倒出砂子并取出已焊接在一起的两支铁钉。

五、注意事项

1．试管尺寸不易过大，防止熔融物烧漏。

2．氯酸钾要适量，防止产生大量气体引起喷射。

3．蒸发皿的直径应大于10cm，也可用盘子、碗等其他物品代替。

4．由于各地的砂子品质有所不同，建议实验前先用盐酸浸泡后晾干在使用，防止砂子中混有少量的石灰石在高温下产生气体引起铁水溅出。

5．铝热反应剧烈，温度可达2000℃以上，三氧化二铁在1400℃以上可发生以下反应：6Fe2O3→4Fe3O4＋O2↑

为了防止反应过程中产生氧气引起铁水溅出，所以适当减少还原剂铝粉的用量（由教材中的5：2改为7：2），以减缓反应的剧烈程度。

六、本实验的特点

由于试管透明，当反应开始后，学生容易观察以下现象：（1）整个红热过程以及铁水生成和自上而下的熔化流动；（2）红热的铁水将部分埋在铝热剂中的铁钉焊接在一起；实验过程中无铁珠迸溅。经过多次试验以及课堂演示，成功率和安全性都有保证。

0前言

7075铝合金是一种高强度铝合金，它由Al、

Cu、Mg、Zn及Cr等元素组成。该合金加工性能良

好，可以采用铣削、冲压、拉伸、锻造、焊接等加

工工艺。该合金材料被广泛应用于航空航天、汽

车、电子、机械等领域[1-3]。

阳极氧化是一种电化学反应，它的基本原理是

金属表面的氧化过程。在阳极氧化过程中，金属表

面受到电解质的作用，氧化物在金属表面形成一层

薄膜，这层薄膜可以保护金属表面不受空气中的氧

化剂的侵蚀[4]。阳极氧化技术可以有效改善金属表

面的耐腐蚀性和耐磨性，以提高金属的使用寿

命[5]。然而，阳极氧化技术也存在一些缺点，如处

理后的金属表面易出现粗糙、黑线、划伤、毛刺等

缺陷，耐腐蚀性和耐磨性可能不够等，因此对铝合

金阳极氧化性能的研究极为重要[5]。有研究表明，

6×××系和7×××系铝合金近表面存在连续、

链式分布的第二相（含Fe相、含Si、Mn夹杂物颗

粒），易形成耐腐蚀差异区，导致第二相周围的Al

优先溶解，在基体上出现沿第二相分布的线性凹

坑，形成肉眼可见的黑线条纹缺陷[6-8]。铝合金在后续加工中产生的划伤、油污等表面缺陷也会在阳极

氧化过程中产生黑线[7]。通过控制熔铸过程中Fe元

素、硅剂添加量，加强精炼、过滤、除杂手段的控

制，保障铝熔体质量和均质效果可有效减少黑线出

现的概率[9-10]。李飞庆[8]等通过增大铸锭氧化皮切削

厚度，优化模具设计增加挤压过程的死区，来减少

第二相偏聚和挤压过程中表面受到的擦伤，提高型

材的表面质量，进而提升阳极氧化的表面光洁度。

丁小理[11]等发现阳极氧化过程中挤压型材表面的凸

起毛刺脱落容易产生黑斑，而未脱落的毛刺还容易

产生白线缺陷。

本文分析的零件用于飞机航空座椅，由7075

铝合金挤压扁排经机加工和表面阳极氧化制成。由

于大批零件氧化表面存在黑线，无法正常装机使

用，造成了非常大的经济损失。本文通过对7075

铝合金零件机加工表面氧化黑线区域和正常区域的

显微组织进行对比分析，查明氧化黑线出现的原

Ｖｏ１．２【）Ｎｏ．１７４　物理教学探讨　１２．２ＩＤ　．３８．　Ｊｍｍａｌ　０ｆ　第２【）卷总第１７４期　年第ｌ２期　巧用发光二极管改进电学演　示实验　山东省临朐第六中学（　６００）　张乐川　刘金良　电磁学是高中物理教学的重要内容，做好演　示实验是提高教学效果的必要手段。但是现行教材　仍沿用十几年前的实验装置，设备陈旧，价格较高，　演示效果也不好。笔者在教学中尝试用发光二极管　来做演示实验，效果不错。　发光二极管具有以下几个特点：　（１）发光二极管具有单向导电性，这本身就能　激发学生的兴趣和欲望。在大部分电学中都需要演　示并判断电流的方向，一般是利用电流表的指针偏　向来判断，过程复杂，采用两个并联反接的发光二　极管即可解决问题，非常简单。　（２）现象直观。发光二极管能发出醒目的红、　绿、黄等色光，与自然光线反差明显，并且将看不见　的电流转化为鲜艳的光学信号，易激发学生浓厚的　学习兴趣。　（３）成本低。发光二极管价格便宜，仅几毛钱　一只，并且耗电少，不易损坏，使用寿命长，因而成　本较低。　以下是利用发光二极管演示的几个电学实验：　ｌ　电容器的充放电实验　如图ｌ，Ｃ为１０３０ｕＦ～３３００ｕＦ电解电容器，Ｄｌ　为红色发光二极管，　为绿色发光二极管。当开关　拨向位置ｌ，电容Ｃ充电，此时Ｄｌ发光，随着充电　进行，ＪＤｌ亮度越来越弱，最后熄灭，充电结束。当开　关　拨向位置２，电容Ｃ放电，此时　发光随着放　电进行，Ｄ２亮度越来越弱，最后熄灭，放电结束。我　们可以利用其轮流发光和它们的极性来判断充放　电流的方向。　图　１　２　演示电磁感应及楞次定律　如图２，将红、绿两个发光二极管并联反接后　接在螺线管Ｂ的两端，螺线管Ａ与滑动变阻器　联后接上６ｒ－一ｌ０　Ｖ直流电源。通过滑动变阻器Ｒ来　改变螺线管Ａ中的电流，若电流变大时的发光二　极管　发光，则电流变小时发光二极管　发光，　电流不变时两个发光二极管都不发光。闭合或断开　电键　，或用磁铁代替螺线管Ａ插入、拔出螺线管　Ｂ，都会得出类似结论。这说明当通过螺线管Ｂ中　的磁通量不变时并无感应电流产生，当通过螺线管　Ｂ中的磁通量变大或变小时，其中的感应电流方向　总是相反。结合螺线管的绕向、磁通量的变化情况　及二极管的单向导电性即可分析得出楞次定律。　图　２　３演示断电自感　如图３连接好电路，　．为日光灯镇流器，Ｄｌ为　红色发光二极管，　为绿色发光二极管，　ｌ、　２为　ｌ０Ｑ保护电阻。电键Ｋ闭合时，Ｄｌ发光，Ｄ２由于反　接而不发光。当电键　断开时，Ｄ２发光，而此时　并不发光，这说明断电的瞬间有感应电流电流流过　Ｄ２，也就是Ｌ中产生了感应电动势，并且感应电动　势的方向与原有电动势方向相同。　Ｌ——亡＝）—　Ｌ　！　＝　６　１０￣　图　３　４・演示光电效应　如图４连接好电路，当光照到光电管的阴极　时，电路中产生电流，二极管Ｄｌ发光，而此时二极　管Ｄ２不亮。由此可以确定光电流的方向。改变光照　强度，我们会看到光照越强，二极管的亮度越大。