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鋁金屬的兩性
資料來源:科學研習月刊45-7

文/吳錱俞、蕭次融 大學入學考試中心
原理
鋁是地球上存量最豐富的金屬元素,由於其質輕(密度小),常以合金的形態廣用於航空器材。在化學上,鋁屬於兩性金屬元素,本活動演示其與氫氧化鈉溶液的反應。在量筒內使鋁箔與氫氣化鈉溶液作用以產生氫,並點燃量筒內的氣體,以說明所產生的氣體是氫氣。鋁之所以為兩性,例如金屬的鋁與酸作用,即產生氫氣:
化學方程式1
但金屬鋁也能與鹼作用,同樣產生氫氣,例如:
化學方程式2
因此鋁可說是屬於兩性元素,而鋁的氧化物,其性質類似「類金屬氧化物」具有成酸性或成鹼性的性質。鋁的氧化物不太溶於水,但可溶於強酸或強鹼中,呈現兩性的反應,其反應式如下:
化學方程式3
化學方程式4
器材
NaOH(3M)...5mL
量筒(50mL)...一個
鋁箔(取自口香糖)...一片
HC1(3M)...10mL
打火機...一個
蠟燭...一支
步驟
1.取包裝口香糖的鋁箔紙一張,先用火(使用打火機最方便)把襯裡的薄紙燒掉,即得一小張鋁箔。要完全燒掉攤裡的薄紙需要一點技巧,要把握火焰是往上升的,而鋁是熱的良導體(見照片一的各步驟與其說明)。
照片1、用火燒掉襯裡的薄紙
照片1、用火燒掉襯裡的薄紙
2.以50m L 量筒取3M NaOH約5m L。
3.將鋁箔揉搓成一小球備用。(見照片2-2) 。
照片2、鋁箔與氫氧化鈉的反應(準備)
照片2、鋁箔與氫氧化鈉的反應(準備)
4.將鋁箔小球放入量筒內,即見其浮於氫氣化鈉的溶液上面(見照片 2-3)。起先似無任何反應,但約過兩三分鐘後,即見鋁箔小球表面附著小氣泡。
5.用手觸摸量筒盛有氫氧化鈉溶液的部分,即覺溶液溫熱。之後,反應逐漸加快,量筒內有白煙(見照片3-1) ,並可聽到量筒內發出斯斯音,量筒口冒出的白煙是水蒸氣。
照片3、用蠟燭點火
照片3、用蠟燭點火
6.點燃一支蠟燭,火焰移至量筒口(見照片 3-2 ) ,即聞「撲休」一聲,並見筒內火焰晃晃。(若改用打火機的火焰以取代蠟燭的火焰,見照片 4 -l ,在連續點火時,會更方便。)
照片4、用打火機點火
照片4、用打火機點火
7.用濕抹布蓋住量筒口(見照片 3-3 與 4-2 ) ,火焰即熄被再點燃,如此可反覆點燃數次。(注意:操作步驟 6 與 7 時,必須一手壓住量筒的底部,以免量筒傾倒破裂,見照片 3-2 與 3-3 )
8.冷後在量筒內慢慢滴入 3M HC1約5mL(見照片5-2),溶液呈現白色膠狀物。
9.重複步驟1-6或 7 ,但以3M HC1 5mL替代 NaOH,比較兩者的差異。
照片5、點燃後的處理
照片5、點燃後的處理
備註

本實驗可觀察到:

1.鋁為兩性金屬,與酸或鹼性溶液作用,同樣可得氫,其反應如反應式( l )與〈 2 )。

2.放熱反應累積了所產生的熱,反應溫度提高了,加速了反應。

3.晃晃的火焰諛明了反應所產生的氣體是可燃的氫。

4.所產生的鋁化何物在鹼性溶液可溶為AI(OH0)4¯或寫成AI(OH)4(H2O)2¯見教師手冊的圖1;加了鹽酸,就中和了部份的鹼後即成膠狀物,可能是AI(OH)3(S)。
問題

1.為什麼用火燒過的口香糖鋁箔,與氫氧化鈉溶液反應時,開始很慢,約兩三分鐘後,反應即變成相當劇烈?
2.設計簡單的實驗以支持你對問題1的答案。

教師手冊

鋁是離子化傾向相當大的金屬,因此容易與酸作用產生氫而溶解。鋁與鹽酸或稀硫酸反應的反應式如下:

化學方程式5
化學方程式6
但與熱濃硫酸作用,則因濃硫酸具有氧化性,不會產生氫,而產生二氧化硫:
化學方程式7
鋁若長久曝露於空氣中,則在其表面會產生很薄的氣化膜。這種氣化膜相當堅牢,不易為酸或鹼所浸蝕,因此將鋁片放入酸或鹼中,要其反應需要一段時問。至於鋁與氫氧化鈉水溶液的反應式,一般都將其簡化而寫成:
化學方程式8
但正確的反應式應該如式(9 ),所生成的錯離子成為鋁酸離子(如圖1)而溶於水如式(10 ) :
化學方程式5
化學方程式6
圖一鋁酸錯離子
圖一鋁酸錯離子
其實不僅鋁,其他兩性金屬如鋅、錫等與鹼作用,也各成為其錯離子(類似圖1) ,而溶於水。
補充說明

一、溶液的配製
1.取氫氧化鈉固體 12 克溶於水,配成 100 毫升,即得約 3M 的 Na0H 溶液。2.取濃鹽酸 25 毫升溶於水,配成 100 毫升,即得約 3M 的 Hcl 溶液。

二、量筒
最好使用透明的塑膠製 50 毫升的量筒。若無量筒,則用 50 毫升的錐形瓶也可以。

三、點火
用蠟燭可以在量筒口點燃反應所產生的氫氣,但容易被吸進量筒內的火焰吹熄。因此若要連續點火,則改用打火機較為理想。點火時必須要注意,一定要用一隻手壓住量筒的底部,因為氫氣一著火,不僅發出聲音「撲休」,而且火焰會被吸入量筒內,相當壯觀,學生容易驚嚇而打翻量筒。若欲蓋住量簡口以熄滅火焰,以便連續點火時,更容易激動而打翻量筒。一般地說,氫在空氣中燃燒時,會發出淡淡的火焰而產生水。若在氫與氧的體積比,2比l的混合氣體(爆鳴氣)點火,即發出劇烈的爆鳴聲,因此不可不特別注意。若使用錐形瓶,則火焰比較容易在瓶內繼續燃燒,終至瓶內缺氧而熄滅。

四、鋁箔

口香糖的鋁箔一張大小為 4.6cm × 9.0cm ,而重約 0.077 克〈 以 10 張稱重,得 0.770 克)。一般家庭用的鋁箔同樣剪成 4.6cm × 9.0cm ,則重約為 0.154 克(以 10 張稱重,得 1.542 克),是包口香精的鋁箔單張的2倍。因此一張回收的包口香糖的小小鋁箔紙,若完全反應,則在常溫常壓約可產生 100 毫升的氫氣。筆者曾經連續點火,一張小小鋁箔所產生的氫氣,共點了七次,因此真的不可小看回收的一張小小鋁箔。

五、參考解答

1.原因至少有二:

(1)用火燒過的鋁箔,其表面會有一層氫化鋁的薄膜,隔絕了鋁與氫氫化鈉溶液的接觸,而阻擋了反應,但薄膜浸泡於氫氧化鈉溶液一段時間後,薄膜即被浸蝕而反應加快。

(2)鋁與氫氧化鈉的反應是放熱反應,因此反應的進行會累積熱量,亦即會因這些熱量提高了反應溫度,加速了反應。

2.針對問題 1 的回答,可以做下列兩個實驗:

(1)用兩個量筒,除了一個用火燒過的鋁箔,另一個用帶有薄紙的鋁箔〈但事先浸泡於水)外,在相同的條件下,同時做實驗比較。

(2)用兩個量筒,除了一個量筒浸泡於水中,另一個量筒底部約 10 毫升刻度的部分用封箱膠帶包住外,在相同的條件下,同時做實驗比較。
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