金屬鋁置換硝酸中氫的實驗研究

金屬鋁置換硝酸中氫的實驗研究

亞硝酸鹽是一種強氧化酸，與金屬或還原劑作用于金屬或其他低氧化物質(zhì)的產(chǎn)物。偶爾有金屬銀、鋅和銀杏葉變換金屬銀絲，但沒有關(guān)于金屬鋁轉(zhuǎn)嫁氫的報道。因此，設(shè)計設(shè)計磺酰胺和硝酸銨的實驗裝置和方法，有助于充分認識磺酸和硝酸鈉的性質(zhì)，深刻理解產(chǎn)品的規(guī)律，正確理解和靈活運用化學(xué)品的原則。同時，我們可以有效地將課堂與科學(xué)研究有機結(jié)合，積極促進學(xué)生的個性發(fā)展和創(chuàng)新思維。我們首先報道了用鋁代替硝酸中氫的簡單實驗設(shè)備和有效實驗方法。1實驗1.1實驗設(shè)備金屬鋁置換硝酸中氫的實驗裝置設(shè)計見圖1.1.2小試和火焰爆鳴聲的檢測(1)取一支與大試管等長的無底小試管套入大試管內(nèi),并將其插入廣口瓶,再向小試管注入0.07mol/L硝酸,使酸液面低于管口約0.5cm處保持穩(wěn)定為止.(2)取一塊用砂紙打磨光亮的鋁箔系牢在細線的一端后將其卷起,再浸入HgCl2溶液中,當(dāng)表面呈現(xiàn)灰黑色(約1min)時取出并將其放入上述準備好的小試管中,立即塞上橡皮塞(見圖1①).(3)迅速提起小試管,使其下端略低于大試管酸液面,并用試管夾將其夾住擱在大試管口上(見圖1②).(4)觀察鋁箔會立即快速產(chǎn)生大量氣泡,當(dāng)反應(yīng)進行到小試管內(nèi)酸液面脫離鋁箔時(見圖1③),經(jīng)仔細觀察氣體的顏色為無色.(5)提升小試管使其下端略高于大試管酸液面,讓管內(nèi)多余酸液流出,以便空氣進入管內(nèi),然后放下小試管,仔細觀察氣體的顏色仍為無色.(6)拔開橡皮塞,同時用點燃的火柴梗接近試管口,可聽到氣體爆鳴聲.(7)如當(dāng)反應(yīng)進行到小試管內(nèi)酸液面脫離鋁箔后放下小試管,使大小兩試管液面保持同一水平面后固定小試管,再拔開橡皮塞.用點燃的火柴梗接近試管口,則聽到“噗”的一聲,同時見火焰竄進小試管內(nèi).2實驗原則與討論2.1原理實驗原理大致可用下列化學(xué)方程式表示:純H2在空氣中安靜燃燒,點燃只聽到“噗”的一聲)2.2催化劑的氧化準確標定濃度為4.00mol/L硝酸.以此為基準酸液,按實驗進程將其稀釋成所需濃度.探索產(chǎn)生氫氣時硝酸的最高濃度及最佳濃度.另外,取一塊鋁箔,用砂紙將其打磨光亮后浸入HgCl2溶液中,使鋁產(chǎn)生鋁汞齊,以阻斷鋁薄致密氧化膜的生成.實驗結(jié)果見表1.表1表明,產(chǎn)生氫氣時硝酸的最大濃度為1.6mol/L,產(chǎn)生氫氣最快時硝酸濃度為0.07mol/L.硝酸通過NO2獲得還原劑的電子,反應(yīng)加速,NO2起到催化作用.盡管強氧化性硝酸與金屬或還原劑作用一般是其N元素被還原成各種低氧化態(tài)的產(chǎn)物.但硝酸濃度較大時,硝酸與鋁反應(yīng)也能產(chǎn)生氫氣:Al+H+→H2+Al3+,不過所產(chǎn)生的氫氣還沒來得及逸出,就被硝酸氧化了,硝酸本身則被還原成NO2.隨著硝酸濃度的降低,NO2被進一步還原,產(chǎn)物為NO、N2O、N2、H2NNH2、NH3等.在酸性介質(zhì)中,盡管電極電勢數(shù)據(jù)暗示NO3離子是頗強的氧化劑,然而動力學(xué)原因?qū)е滤谙∷嶂械姆磻?yīng)一般都很慢,濃度低于2mol/L的硝酸其氧化能力小.由于氧加合質(zhì)子之后會促進N-O鍵斷裂,濃HNO3在熱力學(xué)上是更強的氧化劑,而且反應(yīng)速率快于稀硝酸.因此,伴隨硝酸濃度的逐漸降低,NO3的氧化能力也逐漸減弱,氧化反應(yīng)速率降低,所產(chǎn)生的H2被氧化的機會隨之減少,導(dǎo)致產(chǎn)生H2的速度逐漸加快.當(dāng)硝酸濃度降低到一定程度時,能傳遞電子并起催化作用的NO2生成速率很慢,產(chǎn)生的數(shù)量很少,NO2獲得金屬鋁的電子的幾率減少.此時的氧化能力明顯減弱,則鋁與H+反應(yīng)產(chǎn)生的H2被氧化的可能性就更小.于是,硝酸的主要還原產(chǎn)物不再是氮的低價態(tài)化合物或氮氣,很明顯是H+被還原為H2.當(dāng)硝酸濃度進一步降低,H+的濃度也隨之降低,產(chǎn)生氫氣的速率當(dāng)然轉(zhuǎn)而逐步減慢.室溫下,用金屬鋁直接浸泡在<4.00mol/L不同濃度硝酸中,實驗現(xiàn)象見表2.實驗結(jié)果表明,沒有經(jīng)過氯化汞溶液處理的鋁箔與稀硝酸作用幾乎檢測不出氫氣的生成.用砂紙去膜的金屬鋁與水或氧氣反應(yīng)又會生成致密氧化膜,從而又起到保護作用.要使去膜的金屬鋁不再生成致密氧化膜并能不斷地與稀硝酸繼續(xù)反應(yīng),首先必須阻斷致密膜生成的途徑.有效可行的方法是:讓去膜的金屬鋁與氯化汞溶液反應(yīng)置換出汞并生成鋁汞齊.由于鋁汞齊的生成,使部分晶格鋁原子被汞原子占住,以至不能再生成致密氧化膜,導(dǎo)致金屬鋁能與稀硝酸中的H+持續(xù)不斷反應(yīng),同時產(chǎn)生H2(見表1).3產(chǎn)生氫氣時苯甲酸量室溫下,鋁汞齊與一定濃度的稀硝酸作用可產(chǎn)生氫氣.而金屬鋁箔直接與稀硝酸作用不產(chǎn)生氫氣.實驗結(jié)果表明,產(chǎn)生氫氣時硝酸的