铝与稀硫酸反应的探究

铝与稀硫酸反应的探究

本案例介绍的是我校课外活动兴趣小组的同学开展铝与稀硫酸反应的实验探究活动。在这次活动中，我和学生经历了发现并提出问题，建立假设，设计实验检验假设，并最终得出科学结论的过程，其中，有过困难的遭遇和对困难的焦虑，有着成功的喜悦，获得了科学探究的切身体验。

【过程】

1、提出问题

我在上“酸的通性”知识时，做了“铝、铜与稀硫酸的反应”的实验。我把铝片和铜片分别投入盛有等量、溶质质量分数相同的稀硫酸的试管中，结果并没有看到铝与稀硫酸反应的现象。铝在金属活动顺序表中介于镁和锌之间，镁、锌与稀硫酸反应现象非常明显，为什么铝与稀硫酸反应的现象并不明显呢？接着我把铝片投入稀盐酸中，想看看结果会不会也是这样，出乎我预料的是，铝与稀盐酸反应很剧烈，并产生大量的气泡。这说明铝能置换出酸中的氢，但为什么铝与稀硫酸几乎不反应，而铝与稀盐酸反应却非常明显呢？

2、建立假设

我要求学生以小组为单位进行讨论，对上述问题提出种种假设。学生提出的假设有：⑴可能是硫酸溶液中氢离子的浓度小于盐酸中氢离子的浓度；⑵可能是铝表面的致密氧化膜有保护作用；⑶可能是Cl-能促进铝跟氢离子的反应；⑷可能是SO42-阻碍了铝跟氢离子的反应。

3、设计实验，验证假设

对于氢离子的浓度对反应的影响，我们想：是否是硫酸的浓度太低，影响了铝与稀硫酸的反应？于是控制溶液中氢离子的浓度相同，并用不同浓度的硫酸和盐酸作为比较。我们设计了如下表所示的几个实验。

比较①②或③④可以得出，氢离子浓度相等的盐酸、硫酸与铝反应的速率有差异。铝与稀硫酸反应的现象并不明显，而铝与稀盐酸反应现象很明显。比较①③可以得出,当氢离子浓度不相等时，反应的速率也不一样。氢离子浓度越大，反应的速率越快。比较②④可以得出，浓度并不是影响铝与稀硫酸反应的主要原因。

对于假设（2），铝表面有一层致密的氧化膜，是否是氧化膜阻止了铝与稀硫酸的反应？于是设计了以下一组实验：

（注：去膜即用砂纸打磨铝片或先在小烧杯中用NaOH溶液将铝片的氧化膜除去。）从上述实验中我们发现：铝的氧化膜去掉了，铝与盐酸反应很快，而铝与硫酸起初能反应但后来为什么又不反应了呢？铝与稀硫酸反应的过程中，是否在溶液中又形成了氧化膜，氧化膜可以阻止铝与稀硫酸的反应？但为什么铝与稀盐酸反应时，在溶液中不会形成氧化膜呢？两种溶液中除了Cl-、SO42-不同外，其它条件是一样的，问题是否出在Cl-、SO42-上呢？我们设计了下面两组实验：

表3：Cl-对反应的影响

从该实验我们发现，在②组硫酸中加入NaCl，铝与稀硫酸反应现象非常明显，放出氢气。而在③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加入的盐中的Na+引起，而是由阴离子引起，即Cl-能破坏氧化膜，且能阻止溶液中氧化膜的形成，使H+与铝接触而发生反应。因此，铝与稀硫酸反应时，要在溶液中加入含Cl-的物质（如NaCl、盐酸等），促使反应的进行。书本上铝与铜跟稀硫酸的反应，可能在稀硫酸溶液中加入了含Cl-的化合物，才产生如此效果。而SO42-不能破坏氧化膜，或者说破坏氧化膜的能力没有Cl-强，同时也不能阻止去膜的铝在水溶液中又重新形成氧化膜，从而使H+与铝原子不易接触，不利反应的进行。

表4：SO42-对反应的影响

从该实验中我们发现，在组盐酸中加入Na2SO4后反应的现象与组不加Na2SO4的现象相同，说明SO42对H+与铝的反应并无阻碍作用。

4、得出结论

从上述实验中，我们不难发现，盐酸、硫酸与铝反应的速率的差异很大程度上是受Cl-、SO42-的影响。

（1）铝表面的氧化膜不仅能被H+所破坏，还能被酸溶液中的阴离子所破坏。不同的阴离子破坏能力不同，而Cl-对氧化膜的破坏能力较SO42-强。表现在两个方面：①阻止氧化膜的形成。②破坏已生成的氧化膜。铝表面的氧化膜被破坏后，使H+与铝原子直接接触，迅速反应生成氢气。

（2）Cl-可促进铝与H+的反应。这就是为什么铝与稀盐酸反应现象非常明显的原因。

（3）SO42-对铝与H+的反应没有阻碍作用，但破坏氧化膜的能力很弱，使H+与铝原子不能接触，反应不能进行。故铝与稀硫酸几乎不反应。如果要铝与稀硫酸反应，必须有Cl-或其它强破坏氧化膜的离子存在为前提。

【反思】

这次活动中，学生触及到一些超出教学要求的知识（如Cl-对氧化膜的破坏能力较SO42-强），但他们并没有因此而止步，而是持有一股强烈的好奇心和求知欲，执意去探究未知，充分体现了科学探究活动的开放性和魅力所在。

在探究过程中，我们把去膜的铝片投入稀硫酸中，期待着反应的发生，然而实验并没有出现预期的结果，我们困惑，但我们没有放弃努力。后来我们想到：既然铝能与稀盐酸反应，盐酸和硫酸不同之处，就是阴离子不同，如果在硫酸溶液中加入氯化钠，情况会怎样呢？当我们的尝试获得成功时，我们的兴奋之情难以言表。接着，我们把硝酸钠加入到稀硫酸之中，看看铝与稀硫酸反应的情况，结果现象不明显。于是我们得出了这样的结论：如果要铝与稀硫酸反应，必须有Cl-或其它强破坏氧化膜的离子存在为前提。在整个过程中，学生经历的挫折与失败、成功与兴奋等种种体验是他们理解科学的本质、领悟科学精神的基础。这对于激发学生的智慧潜力，增强学生学习的自信心，形成科学的态度、情感和价值观，都是很有意义的。

（缪斯）