加载中…铝与稀硫酸反应慢
(2018-03-31 20:41:46)| 分类： 学习考试 |
一、问题 在一次学生实验中，学生用铝片分别和稀盐酸、稀硫酸反应，发现铝片和稀盐酸反应现象非常明显，而和稀硫酸却几乎不反应。这和教材上的内容“铝能跟稀盐酸或稀硫酸起反应生成氢气”（人教版高中化学第二册P．22）不一致?是什么原因呢?是试剂、药品出了问题吗?为了寻找原因，学生在教师指导下重新用分析纯浓盐酸和浓硫酸配制了一定浓度的溶液，然后加入0．1×10×25mm、纯度≥99．5%的铝片验证是否确实存在上述现象，实验结果如表1。
表1 稀盐酸、稀硫酸与铝片反应现象对照
无论是1．5mol/L还是3mol/L的稀硫酸，均无明显反应现象。其结论还是与教材的叙述不相符合。
二、分析
稀盐酸和稀硫酸都是非氧化性酸，在水溶液里都完全电离出Ｈ＋。铝和非氧化性酸反应的实质是与Ｈ＋的反应，在Ｈ＋都等于3mol/L的两种酸中，就中学知识可推得反应速率应该相等。但即使把硫酸中的Ｈ＋提高到6mol/L，铝和硫酸还是无明显的反应现象。这其中的原因是什么呢?既然两溶液中阳离子都只有Ｈ＋，且浓度也相同，那么存在的差异就可能跟Ｈ＋所处的环境不同有关（如阴离子的不同）。于是，学生作出如下假设。
三、假设
假设一：Ｃｌ－能促进金属铝与Ｈ＋的反应。
假设二：SO４2-对Ｈ＋与金属铝的反应起阻碍作用。
假设三：铝表面的致密氧化膜有保护作用，使Ｈ＋与铝不易接触。
为了验证上述假设，经学生充分讨论，设计了如下实验方案进行验证。
四、验证
实验一：分别取5mL3mol/LHCl，H２ＳＯ４，加入纯度为99．5%的铝片各一小片，然后添加NaＣl，Ｎａ２ＳＯ４晶体，实验现象如表2。
表2 实验现象
实验分析：
（1）a组硫酸中加入ＮaＣｌ，铝与硫酸就明显反应，放出氢气。而b组硫酸中加入Ｎa２ＳＯ４无明显现象。这两种盐中都含Ｎａ＋说明这种差别并非由所加入的盐中Ｎａ+引起，而是由阴离了引起，即Cl－促进了金属铝与Ｈ＋的反应。
（2）c组实验在HCl中加入Ｎa2ＳＯ4后反应与d组盐酸中不加Na2ＳＯ４现象相同，说明ＳＯ2-4对Ｈ＋与Al的反应并无阻碍作用。
那么Ｃｌ－为什么能影响Ｈ＋与金属铝的反应呢?这种影响是否与铝片表面的致密氧化铝保护膜有关呢?为了验证这一猜测和假设，学生又设计了在不同情况下的铝片与3mol/L的稀硫酸反应的实验。
实验二：不同情况下的铝片分别加入3mol/L稀硫酸中，实验现象如表3。
表3 实验现象
实验分析：
（1）c组和e组实验中，铝分别与Hg和Cu形成了原电池，但c组能反应，e组却无明显现象，说明c组能反应的主要原因并非是由形成原电池而引起的。
（2）c，b两组实验中铝与稀硫酸都明显反应，但c组是铝置换出汞后铝表面形成铝汞齐，破坏了铝片表面的致密氧化膜；且铝汞齐的存在使铝片不易再形成致密氧化膜。而b组实验铝片表面虽存在致密氧化膜，但硫酸溶液中多了Cl－，即Ｃl－的作用等同于破坏了铝片表面的致密氧化膜。
（3）d组虽用砂纸暂时除去了铝表面的致密氧化膜，但由于铝片在接触空气的瞬间又重新生成了致密氧化铝膜，所以反应现象不如c组明显。
五、结论
综合上述实验及分析，学生最终得出结论：铝表面的致密氧化膜除了使其在空气中具有耐腐蚀的性能外，在酸中也具有一定的耐腐蚀性能，但这种耐腐蚀性与酸中的Ｈ＋所处的环境关系很大；某些阴离子（如Ｃｌ－）能促进Ｈ＋破坏这种致密的氧化膜，使Ｈ＋直接与铝原子接触迅速反应生成氢气。铝与稀盐酸、稀硫酸反应现象之所以不同，是由于盐酸中的Cl－能破坏铝片表面的致密氧化膜，而硫酸中的ＳＯ４２－离子却没有这种能力。教材中的铝与稀硫酸反应生成氢气指的是表面无致密氧化膜的铝。
表1 稀盐酸、稀硫酸与铝片反应现象对照
二、分析
稀盐酸和稀硫酸都是非氧化性酸，在水溶液里都完全电离出Ｈ＋。铝和非氧化性酸反应的实质是与Ｈ＋的反应，在Ｈ＋都等于3mol/L的两种酸中，就中学知识可推得反应速率应该相等。但即使把硫酸中的Ｈ＋提高到6mol/L，铝和硫酸还是无明显的反应现象。这其中的原因是什么呢?既然两溶液中阳离子都只有Ｈ＋，且浓度也相同，那么存在的差异就可能跟Ｈ＋所处的环境不同有关（如阴离子的不同）。于是，学生作出如下假设。
三、假设
假设一：Ｃｌ－能促进金属铝与Ｈ＋的反应。
假设二：SO４2-对Ｈ＋与金属铝的反应起阻碍作用。
假设三：铝表面的致密氧化膜有保护作用，使Ｈ＋与铝不易接触。
为了验证上述假设，经学生充分讨论，设计了如下实验方案进行验证。
四、验证
实验一：分别取5mL3mol/LHCl，H２ＳＯ４，加入纯度为99．5%的铝片各一小片，然后添加NaＣl，Ｎａ２ＳＯ４晶体，实验现象如表2。
表2 实验现象
（1）a组硫酸中加入ＮaＣｌ，铝与硫酸就明显反应，放出氢气。而b组硫酸中加入Ｎa２ＳＯ４无明显现象。这两种盐中都含Ｎａ＋说明这种差别并非由所加入的盐中Ｎａ+引起，而是由阴离了引起，即Cl－促进了金属铝与Ｈ＋的反应。
（2）c组实验在HCl中加入Ｎa2ＳＯ4后反应与d组盐酸中不加Na2ＳＯ４现象相同，说明ＳＯ2-4对Ｈ＋与Al的反应并无阻碍作用。
那么Ｃｌ－为什么能影响Ｈ＋与金属铝的反应呢?这种影响是否与铝片表面的致密氧化铝保护膜有关呢?为了验证这一猜测和假设，学生又设计了在不同情况下的铝片与3mol/L的稀硫酸反应的实验。
实验二：不同情况下的铝片分别加入3mol/L稀硫酸中，实验现象如表3。
表3 实验现象
（1）c组和e组实验中，铝分别与Hg和Cu形成了原电池，但c组能反应，e组却无明显现象，说明c组能反应的主要原因并非是由形成原电池而引起的。
（2）c，b两组实验中铝与稀硫酸都明显反应，但c组是铝置换出汞后铝表面形成铝汞齐，破坏了铝片表面的致密氧化膜；且铝汞齐的存在使铝片不易再形成致密氧化膜。而b组实验铝片表面虽存在致密氧化膜，但硫酸溶液中多了Cl－，即Ｃl－的作用等同于破坏了铝片表面的致密氧化膜。
（3）d组虽用砂纸暂时除去了铝表面的致密氧化膜，但由于铝片在接触空气的瞬间又重新生成了致密氧化铝膜，所以反应现象不如c组明显。
五、结论
综合上述实验及分析，学生最终得出结论：铝表面的致密氧化膜除了使其在空气中具有耐腐蚀的性能外，在酸中也具有一定的耐腐蚀性能，但这种耐腐蚀性与酸中的Ｈ＋所处的环境关系很大；某些阴离子（如Ｃｌ－）能促进Ｈ＋破坏这种致密的氧化膜，使Ｈ＋直接与铝原子接触迅速反应生成氢气。铝与稀盐酸、稀硫酸反应现象之所以不同，是由于盐酸中的Cl－能破坏铝片表面的致密氧化膜，而硫酸中的ＳＯ４２－离子却没有这种能力。教材中的铝与稀硫酸反应生成氢气指的是表面无致密氧化膜的铝。
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