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亲氧的铝

一.姗姗来迟的铝

几千年前人类历史上先有青铜时代后有铁器时代,金属铝的大规模使用则始于最近百年之内。三种金属在地壳中的丰度却正相反,Al、Fe很高,分别达8.2%和5.6%,Cu的丰度不足万分之一。冶炼史当然跟金属的活泼性有关,越活泼的金属越难被还原。可能关系最大的还有冶炼原料或产物的熔点。铜的熔点1083℃,远低于铁的1535℃,这是青铜时代早于铁器时代的重要原因,因为只有风箱的发明才可能成就铁熔化所需的高温。二百年前“发电”被发明后,许多活泼金属通过电解制取已不再是个难题,何况铝单质的熔点并不高,为660℃。最大的难点在于炼铝的原料Al2O3的熔点高达二千多度,要对它进行电解,首先要先将它熔化,需要的能量太高。

二.热值最高的铝

铝的金属活动性优于铁。最简单的实验证明是将铝和铁分别与稀酸反应,铝放出氢气的剧烈程度明显甚于铁。

从金属活动顺序看,铝从铁的最常见化合物Fe2O3中置换出铁是可行的,但双方都是固体,微粒间的接触极其有限,反应又应该是不可行的。

[实验1]铝热反应,通过在常温固体KMnO4上滴加甘油引发。

2Al+Fe2O3(高温)→2Fe+Al2O3

事实证明该反应不仅可行,而且“惊天动地”,大量放热,铁被熔化为铁水。

该反应证明产物的能量远低于反应物的能量,如果说单质间的能量差别有限,极有可能是Al2O3的能量远低于Fe2O3

[实验2]铝在氧气中燃烧。将铝粉撒在干棉球的表面,点燃棉球后将其伸入氧气集气瓶中。剧烈燃烧,类似镁带燃烧那样大量发光发热。

Al(s)+(3/4)O2(g)→(1/2)Al2O3(s)  △H=-838KJ/mol

Al与O2的摩尔燃烧热是所有金属中最高的,所以说铝是一种最亲氧的金属元素。Al2O3的电离或分解因此极其困难,熔点奇高。

Al2O3是一种很理想的耐火材料,用它制成的炼炉盛铁水无虞。

三.比铁更亲氧的铝

我们见过铁丝在氧气中燃烧,火星四溅,反应也很剧烈,说明铁也是亲氧的,但它的摩尔燃烧热比铝低得多。

Fe(s)+(3/4)O2(g)→(1/2)Fe2O3(s) ; △H=-412KJ/mol

Al与Fe2O3的置换反应可以看做Fe2O3分解(吸热412 KJ/mol Fe)、Al与O2化合(放热838 KJ/mol Al)两步的综合:

Al(s)+(1/2)Fe2O3(s)→Fe(s)+(1/2)Al2O3(s)  ;△H=-426KJ/mol

其中426 = -412+828。所以Al与Fe2O3的反应不仅是活泼金属置换较不活泼金属,更重要的特征还在其于大量放热,并将被置换的铁熔化。

钠比铝更活泼,在空气中氧化更迅速,但并不表示氧化放热更多。能量越低越稳定,“闪婚却不见得爱情最铁”。历史上曾经用金属钠置换过铝,但该反应甚至是吸热的。

[讨论]已知Cr的摩尔燃烧热为570KJ,求Al(s)+(1/2)Cr2O3(s)→Cr(s)+(1/2)Al2O3(s)的反应热。(+268KJ)这个热量集中释放也足以将铬熔化。

Al和Fe2O3或Cr2O3、V2O5、MnO2等金属氧化物的混合物叫做铝热剂,相应发生的置换反应叫做铝热反应。这种反应的特征就是大量放热并使多种难熔金属熔化,工业上利于该反应冶炼难熔金属。“铝热”的“热”来自亲氧。

四.撕开保护膜的铝

铝比铁亲氧,但生活中经常看到铁比铝容易生锈、腐蚀。这是因为铁锈(铁的氧化物)结构疏松,对内层铁没有起到保护作用,而金属铝表面会迅速氧化生成致密的氧化膜,起到良好的防护作用。这层致密的氧化膜本身是铝容易氧化的证明。

因此我们很难在常温条件下观察到铝比铁亲氧的实验现象。

[实验3]“毛刷实验”。将铝条浸入NaOH溶液除去表面的氧化膜,用蒸馏水冲淋后浸入Hg(NO3)2溶液片刻。取出表面附着光亮金属汞的铝条置于表面皿,可见汞层外迅速生长出大量白毛状疏松固体。

金属铝溶于汞形成“铝汞齐”,即铝的汞溶液,固态铝已成分散剂。铝微粒不再有“表面”和“致密的氧化膜”,在常温下即可被大量氧化,毛状疏松物为Al2O3。这就是说我们还是创造了条件,在常温下看到铝与氧的化合非常容易。

五.中等活泼的铝

铝是一种中等活泼的金属,亲氧及其铝热表现本身也与它的活泼性密切相关。它也比较容易被其它氧化剂氧化,如:

2Al+3Cl2→2AlCl3

2Al+3Cu2+→2Al3++3Cu

Al+3Fe3+→Al3++3Fe2+

在冷浓硫酸、浓硝酸中,铝被迅速氧化,生成致密的氧化膜,发生“钝化”。

(责任编辑:化学自习室)
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