铝与酸溶液的反应

按照金属的活动性顺序规律,Al的活动性比Zn要强,与同浓度的稀HSO反应时Al应该比Zn要剧烈,但事实却是在盛同种浓度稀HSO的试管中放入Al片和Zn粒后,Zn粒表面表面逐渐产生大量气泡而Al片表面几乎无现象。在《现代化学试剂手册(第一分册-通用试剂)》对铝有着明确的描述,理化性质:银白色用光泽的轻金属。相对密度2.702。熔点660.37℃。沸点2467℃。为电、热的良导体。在空气中表面形成致密的氧化物薄膜,能保护内层铝不致进一步同氧或水作用。铝有两性,溶于酸也溶于碱。铝的纯度越高,在酸中的反应越慢。在冷浓硫酸和浓硝酸中,由于表面钝化而不发生作用。

1、对于这种异常现象的出现,通常有三种分析思考途径:

1.1、可能是Al片表面被氧化,形成致密的氧化膜阻隔了反应。

用小刀刮除或浸入热碱溶液或砂纸打磨去除表面的氧化膜,然后将处理过的铝片放入HSO溶液中,Al片表面开始浸入时还有少量气泡,过一会儿却看不到明显现象。

把Al泡在Hg(NO)中一段时间,形成Al-Hg齐,破坏氧化膜对Al表面的覆盖,处理后放入稀HSO中,反应倒是明显加快了,但一段时间过后又变得异常缓慢,甚至趋于停滞。

1.2、可能是酸溶液的浓度太低。

取等量的五份Al放入四支试管里,向其中依次加入浓度为10%、20%、30%、40%、的HSO。在四种不同浓度的酸溶液中四支试管的现象依旧不明显,反应基本上是趋于停滞的。

1.3、可能是反应的温度不够

将试管加热,此时看到的现象十分明显,但一旦当试管缓慢冷却后Al片表面的气泡逐渐减少最后完全消失,反应又趋于停滞。

通过上述三个试验,也更正了我们知识上的一个误区,一种极普遍的解释是“Al片表面的一层结构特殊的氧化膜起了保护作用”这一观点被否定了,如果事实果真如此,那么为什么用多种去膜方法都不能使得反应持续进行呢。显然酸液的浓度也不是影响该实验的因素。值得关注的是温度条件,高温有利于反应的进行,但也总不能其他的金属在常温下进行反应来比较它们间的活动性关系,而Al的反应却要在加热时来说明问题吧,自然也不符合常理。

把分析思路的关键放到酸的种类上来,金属的置换反应一般多使用稀HSO,若使用的是HCl溶液那又会怎样呢?

把表面打磨过铝片放入质量百分含量为36%的浓HCl中发现其表面立即出现大量气泡,反应非常激烈和迅速,显着放热,并不需要外部加热,反应物混合着溶液迅速翻滚沸腾,搞得不好很容易失控。而改用10%的稀HCl发现反应速率适中且能够取得良好的效果。

2、对使用两种酸液实验现象不同的分析。

在稀HSO和稀HCl溶液中,它们能够分别解离出自由移动的H、SO以及H、Cl。Al和两者的反应实质是Al置换出溶液中H的而生成H。研究表面,在其他条件相同时,同样的Al片H与浓度相同的稀HSO和稀HCl的反应剧烈程度应相等。H浓度增大,则反应更剧烈。但两种溶液中也有不同的离子稀HCl中有Cl而稀HSO中有SO,而且相同H浓度的稀HCl和而稀HSO反应明显不同,说明是阴离子在溶液中起了关键性作用。为了验证这个猜想,取两支试管分别加入等量等H浓度的稀HCl和而稀HSO,再放入大约等量的表面打磨过的Al片,可看到稀HCl中有气泡放出,稀HSO里毫无动静,再往盛稀HSO的试管里加入少许NaCl固体,使形成HSO-NaCl的混合溶液,这样此时溶液中存在大量的H和Cl,也模拟了稀HCl溶液中的环境。果然与预期的现象一致,此时Al片表面逐渐有少量气泡放出,而后速率慢慢加快气泡的量也增多了,且整个过程都在室温下进行的(2Al+6HCl=3H+2AlCl)。

3、Al与盐酸反应的实质分析。

SO和Cl分别是两种酸的酸根离子,查阅相关资料表明:不同的阴离子破坏能力不同,而Cl对氧化膜的破坏能力较其他阴离子强。表现在以下两个方面:

3.1、阻止氧化膜的形成:铝片不仅在空气中可形成氧化膜,也可在水溶液中被溶解的氧气或者水溶液中的水所氧化形成致密氧化膜。铝片与极性水分子接触,水分子进行定向排列,氧原子离金属中铝最近,金属表面的铝离子穿过膜面进入密集排列的氧原子之间。铝离子与水分子结合时将H取代出来,形成氢氧化物膜,使保护膜加厚,若水中存在阴离子,它们将移向金属表面,而把密集陈中的水分子替换出来,阻止氧化膜的形成。由于Cl这种替换能力较其它复杂阴离子(如SO、NO等)强,因此铝放在含有Cl的溶液中不易形成保护膜。

3.2、破坏已生成的氧化膜:因为Cl穿过膜孔或裂缝的能力比其它离子强,同时还能使氧化膜呈胶状分散状态,从而增加了Cl的穿膜机会。