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汞在金属铝与空气反应中所起的作用

(2017-03-21 09:25:47)
标签:

金属铝

金属汞

铝汞齐

无机化学实验

氧化物保护膜

分类: 中学化学教材与疑难问题讨论

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。

                 汞在金属铝与空气反应中所起的作用

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

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

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