汞在金属铝与空气反应中所起的作用

较活泼的金属铝，之所以能在空气及水中都不被腐蚀，是由于其表面致密的氧化物膜起到了关键性的保护作用。

为验证这一点，在以前的中学化学教才中安排了如下的一个学生实验：把铝条插入硝酸汞溶液中浸泡片刻，铝与汞盐会发生置换反应。当观察到铝条上有少量汞析出时，取出铝条。用碎滤纸轻轻把表面上吸附的汞盐溶液吸干。把铝条放在干燥的滤纸上。经过片刻，就可以看到铝条在空气中被迅速氧化而生成了毛刷般的氧化铝。

在化学教育专业《无机化学实验》中的“金属铝在空气中氧化及与水反应”，也是一个类似的实验。实验内容是：取一铝片，用砂纸擦净。在清洁的表面上滴数滴HgCl₂溶液。当此溶液覆盖下的金属表面呈灰色时，用棉花或纸屑将液体擦去，并继续将湿润处擦干。然后将此金属放在空气中，观察铝片表面有大量蓬松的Al₂O₃析出。再将铝片置入盛水的试管中，观察氢气的放出^[1]。

在对这个实验进行实验原理分析时，教师必须要给学生讲清楚，在有金属汞存在的情况下，生成的氧化铝为什么不是一个致密的薄层，而变成了蓬松的毛刷状。如果学生没有弄清楚产生这个现象的主要原因，就是没有完成这个实验的教学目的。

很早以前，曾看到过一篇讨论这个实验原理的文字。该文给出了两个解释^[2]：

一是，金属铝与汞组成了一个原电池。

这一解释的合理之处在于，原电池能加快反应速度。这个较快的反应速度有可能使生成的Al₂O₃，因来不及排列整齐，而不那样平整和致密。

但是，这是一个“把表面汞盐擦干”，并放在“干燥滤纸上”来进行的实验。在没有电解质溶液存在的前提下，是不可能有原电池效应的。

第二个解释是，汞在这个实验中起的是催化剂作用。

还是从加快反应速度的角度来考虑问题。但是教师如果不能指出，汞在这个反应中是如何改变反应途径的，就很容易被学生看成，这只是一个“托词”。

更为关键的是，只从反应速度的角度来看问题，恐怕还是不行的。浓硝酸与金属铝的反应，不就是因为浓硝酸的氧化性强，反应速度快，反而使生成的氧化膜更厚、也更致密了吗？

这个实验的设计，应该是利用到了金属汞的某个特性。循着这个思路，就会比较容易地想到，可能是关系到了“汞齐”的生成。即，金属汞能溶解许多种金属，而形成其液态或固态的合金。它们被统称为汞齐。像钠汞齐、金汞齐，都是化学工作者很熟悉、且有实际用途的物质。

当金属铝放入汞盐溶液中时，被铝置换出来的汞，就要附着在铝片的表面，形成铝汞齐。这个铝原子与汞原子嵌合在一起的合金，是不可能被滤纸或棉花完全擦拭掉的。

铝汞齐层的微观结构模型应该如下图所示。由此也不难推断出，它会有如下的几个性质：

第一点，与钠汞齐类似，铝汞齐的性质应该表现为，是一块被汞稀释了的金属铝。因为在铝汞齐的内部及外表面上，作为溶质的铝原子间都会相隔有一定的距离（如下图中灰色的小点所示），即铝原子相互间要被许多的溶剂汞原子（蓝色的虚线）给隔离开。

这样，铝汞齐与某物质的反应剧烈程度，肯定是会弱于纯金属铝的。也就是说，与纯的金属铝相比较，反应的速度要变慢。

第二点，在这个铝汞齐层内，铝原子是可以自由移动的。当表层的铝原子浓度，由于与某物质发生反应而减少时，铝原子可以从铝汞齐内部扩散到表层来。当铝汞齐内部的铝原子浓度较低时，铝原子可以从固相的金属铝，溶解到铝汞齐中来。在铝汞齐的内部及表面，可以始终保持一个一定的铝原子浓度。

第三点，在铝汞齐内部及其外表面，汞齐都会有一定的变形性及流动性。这是由溶剂汞的熔点较低所决定的。

再加之，铝汞齐与某物质发生化学反应时，在不同部位反应的剧烈程度不同、热效应不同、反应产物（如Al₂O₃）堆积的多少也不尽相同，所以铝汞齐在反应过程中很难有一个平整、稳定、且性质均一的外表面。

据此就比较容易理解铝汞齐与空气中氧气反应时，所表现出来的一些特点了。

在这种铝原子间无法彼此相邻、且外表面有一定不稳定性的情况下，铝与空气中氧气反应所生成的产物氧化铝，当然也只能是不连续且有空隙的。

这种有空隙的氧化铝，无法阻止氧气继续与汞齐表面的铝原子接触并反应。铝的氧化反应因此能不断进行下去，直至整个铝片都反应完为止。

比照溶液中的结晶过程，当有晶核存在时结晶过程才容易进行。不难想到，只有在原有的氧化铝晶粒处，新生成的氧化铝才更容易结晶并沉积出来。还由于铝汞齐的反应速度较慢，更有利于Al₂O₃生成规整的链形晶体结构，因而就形成了实验中所看到的“毛刷”状氧化铝。

总之。汞的作用只是破坏了所生成氧化铝的连续及完整性。剥掉了金属铝的这个保护性的面具，其本来的面目就完全展示出来了。

参考文献

[1] 北京师范大学无机化学教研室等编. 无机化学实验. 该等教育出版社. 1983年

[2] 李发林. 汞在“毛刷”的生成中扮演什么角色. 化学教学. 1984.1