3D 化学实验:激烈的铝热反应 (Vigorous Ther

前言

铝热反应是工业史上一个重要的里程碑,它产生的高热不但可使高熔点的金属融化,而且可应用在焊接上。本实验利用简单的装置进行铝热反应,过程中发生剧烈的氧化还原反应,精采夺目的火花四处喷射,同时放出高温使铝罐熔化,并且产生可被磁铁吸引的铁。

实验影片

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药品与器材

本实验所使用的药品与器材如图一所示。

3D 化学实验:激烈的铝热反应 (Vigorous Ther

图一、使用的药品与器材

实验步骤

实验结果

点燃镁带后,铝热剂产生精彩夺目的火花四处喷射,同时放出高温使铝罐熔化,如图八~十一所示。产生的产物及其检验可被磁铁吸引的铁,如图十一~十二所示。以下照片的左图是2D的照片,右图是3D照片,必须戴红蓝眼镜才能观看立体效果。

3D 化学实验:激烈的铝热反应 (Vigorous Ther

图八、铝热剂发生反应产生精彩夺目的火花之初始阶段

3D 化学实验:激烈的铝热反应 (Vigorous Ther

图九、铝热剂发生反应产生精彩夺目的火花之中间阶段

3D 化学实验:激烈的铝热反应 (Vigorous Ther

图十、铝热剂发生反应产生精彩夺目的火花之最后阶段

3D 化学实验:激烈的铝热反应 (Vigorous Ther

图十一、铝热剂反应后产生的产物且铝罐完全熔化不见了

3D 化学实验:激烈的铝热反应 (Vigorous Ther

图十二、铝热剂反应的产物经检验可被磁铁吸引,证明为铁金属

原理与概念

铝热反应(Thermite reaction)是透过加热用铝粉使金属氧化物还原的一种方法,又称铝热法,通常是用铝粉与氧化铁进行反应,过程中温度可达3000℃,同时放出耀眼的光芒并溅射的火花,其反应如[1]式所示。
Fe3O2(s) + 2Al(s) → 2Fe(s) + Al2O3(s)—-[1]­
根据反应式[1],透过化学计量,可计算出铝粉与氧化铁的最佳重量比例约为1:2.95,然而本实验使用比例为1:2.5,这是为了便利药品的秤量。金属镁是活泼金属,易与空气的氧气反应,燃烧的温度约3100℃(3370K)。镁带的自燃温度是473℃(746K),镁带燃烧需要点火才能达到反应的活化能,在低温的潮湿环境中镁的氧化活化能接近60 kJ/mol,在氧气中镁的氧化活化能为148 kJ/mol。燃烧时产生强烈的且明亮的白光,其用途包括闪光摄影、照明及烟火。金属镁燃烧,产生强烈的白光和放出热量,并产生白色的氧化镁,其反应如式[2]所示
2Mg(s) + O2(g) → MgO(s) △H = –1204 kJ/mol—-[2]铝热反应需要足够的温度才有办法点燃,本实验使用镁带引燃,以氯酸钾为助燃剂,目的是提供镁带燃烧所需的氧气。值得注意的是,铝热反应本身不需要氧气,因此就算隔绝空气仍然能够进行。镁带与氯酸钾反应,其反应如式[3]所示。
3Mg(s) + KClO3(s) → 3MgO(s) + KCl(s)—-[3]藉由计算铝热反应的反应热,了解本实验产生高温的危险性。根据文献资料查知:
Al + 3/4O2 → 1/2Al2O3 △H = 838 kJ(铝的燃烧热为838 kJ/mol Al)
2Fe + 3/2O2 → Fe2O3 △H = 824 kJ(氧化铁的生成热为824 kJ/mol Fe2O3)
因此,利用反应式[1],铝热反应的反应热为:838 kJ x 2 – 824 kJ = 852 kJ,本实验约使用0.125 mol,因此产生的热量为107 kJ。这反应产生的温度可达到约2200℃,足以使熔点为1530℃的铁和660.3℃的铝发生熔化,以致可观察到火红的铁和熔化的铝。

教学提示

安全

废弃物处理

若有未反应的铝粉和氧化铁粉混合物,必须放到标示「易燃固体」的废弃桶中。反应后的固体物质可放到一般垃圾桶中。

参考资料

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