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鋁熱法是一種利用鋁的還原性獲得高熔點金屬單質的方法。 可簡單認為是鋁與某些金屬氧化物(如Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)在高熱條件下發生的反應。鋁熱反應常用於冶鍊高熔點的金屬,並且它是一個放熱反應其中鎂條為引燃劑,氯酸鉀為助燃劑。鎂條在空氣中可以燃燒,氧氣是氧化劑。但插入混合物中的部分鎂條燃燒時,氯酸鉀則是氧化劑,以保證鎂條的繼續燃燒,同時放出足夠的熱量引發氧化鐵和鋁粉的反應。由於該反應放出大量的熱,只要反應已經引發,就可劇烈進行,放出的熱使生成的鐵熔化為液態。但是,氯酸鉀不能用高錳酸鉀代替,因為高錳酸鉀為強氧化劑,高溫會和強還原劑鎂反應爆炸。

 
鋁熱反應鋁熱反應
可簡單認為是鋁與某些金屬氧化物(如Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、V2O5等)在高熱條件下發生的反應。
利用鋁的強還原性和鋁轉化為氧化鋁時能放出大量熱的性質,工業上常用鋁粉來還原一些氧化物,這類反應被稱為鋁熱反應。例如,在焊接鐵軌時,人們常將鋁粉與氧化鐵的混合物點燃,由於反應放出大量的熱,置換出的鐵以熔融態形式流出。讓熔融的鐵流入鐵軌的裂縫,冷卻后就將鐵軌牢牢的黏結在一起。此外,鋁熱反應還可以表示鋁元素置換其他金屬元素(如錳等)的氧化物置換出該金屬元素。

1 鋁熱反應 -化學式

鋁熱反應實驗裝置
實驗反應化學方程式:
氧化鐵:
2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe

四氧化三鐵:
8Al+3Fe3O4=4Al2O3+9Fe

二氧化錳:
4Al+3MnO2=2Al2O3+3Mn
(反應條件都為高溫)

2 鋁熱反應 -適合金屬

鋁熱法一般用來製備高熔點且活潑性小於鋁的金屬,比如Cr、Mn、Fe、Mo等等。Al是否可以用CO等還原性氣體還原還沒見過,不過鋁可以用C還原,其還原需要相當高的溫度,大約是2000度,要達到這麼高的溫度成本更高,另外Al和O的結合能力比較強,單用還原劑不容易將其還原。

高熔點的金屬一般還原所需的溫度也較高,用H2、CO還原的成本也高,但是像鐵這一類的用H2和CO在較低的溫度下就可以還原了就不用鋁熱法了。工業上的生成都是由成本來決定的,所採用的方法肯定就是成本最低的方法。

3 鋁熱反應 -實驗

鋁熱反應實驗裝置
儀器和藥品

蒸發皿、鐵架台(帶鐵圈)、小試管(10cm×10mm)、3-4cm長的鐵釘、氧化鐵、鋁粉、氯酸鉀(研細)、酒精棉球(或直衝式打火機)、砂子、燒杯、葯匙、坩堝鉗、鑷子、剪刀、火柴、砂紙、水、釘鎚。

實驗步驟
1.將盛滿砂子(用水潤濕)的蒸發皿架在鐵架台的鐵圈上。
2.在小試管內裝入1/2-1/3乾燥的砂子。
3.用鑷子向砂中插入兩支去掉釘帽的鐵釘,將鐵釘約1/4部分留在砂外並用鑷子將其靠緊。
4.在砂子上面裝滿按照質量比為7:2混合均勻的氧化鐵粉末和鋁粉,並墩實。
5.在裝滿藥品后的小試管上部放入少量氯酸鉀粉末(用藥匙將氯酸鉀與表面藥品略為混合),並在小試管上部插入一根(約3cm)打亮的鎂條。將小試管豎直插入盛有砂的蒸發皿中。
6.用酒精棉球(或直衝式打火機)點燃鎂條。
7.反應完全后,用坩堝鉗夾住小試管的一端並將其敲斷(或趁熱在砂與紅熱界面處滴加少量水),倒出砂子並取出已焊接在一起的兩支鐵釘。

4 鋁熱反應 -實驗注意事項

鋁熱反應鋁熱反應

首先,鋁熱反應有一定的危險性,如果沒有較好有效的防火和耐高溫措施,不適合在家裡或房間里做該實驗,否則容易造成化學燙傷,化學火暴火乍等事故。如果對鋁熱感興趣,可以選擇室外或者安全的有防火措施的房間進行實驗,並建議用氧化鐵作為金屬氧化物,並嚴格控制反應物量的大小,建議鋁粉可稍微過量,以使金屬氧化物完全反應。在使用鎂條時請注意,鎂條必須打磨光亮,並且要10厘米左右,太短熱量不夠,太長燃燒時間太長,並造成浪費。建議不要在承接容器中加水,否則水高溫分解的氫氣容易產生化學火暴火乍。切忌不能在反應物附近放可燃物,易燃物或玻璃等易爆物品。當用氯酸鉀作氧化劑時,切不可加大劑量,否則會引起物理爆炸和化學爆炸,在點燃反應物之前,先撤離周圍人員,並保持一段距離。

在點燃鎂帶時,可使用高溫打火機,噴火槍或酒精燈。發現鎂條逐漸變黑和閃火星時,說明鎂條已經吸收了夠多的熱量,馬上要燃燒了,這時要繼續加熱,並準備撤離。點燃鎂帶后,要趕快離至適合的距離,實驗者必須戴墨鏡或防強光的設備觀察實驗現象,以防止被鋁熱反應的強光灼傷眼睛。絕對不允許在反應物旁觀察反應現象。反應時,會有900~1500攝氏度的高溫的金屬熔融物噴出,這時要隔離周圍人員,不得靠近。反應結束后,不可用水澆滅,要等其自然冷卻。

進行反應時,容易造成劇烈反應的金屬氧化物,如二氧化錳等,建議不要用相機進行拍攝,如需拍攝分析,最好用耐強光的鏡頭,或在鏡頭上裝上黑色膠片等。

冷卻結束后,可看見被還原的金屬,該金屬可收藏或再使用。

5 鋁熱反應 -用途

鋁熱反應十分激烈,所以點燃后難以熄滅。若在鋼等其他金屬物上點燃,還會熔穿金屬物,加劇反應。故常被用於製作燃燒彈,可以熔穿裝甲。

鋁熱反應過程中放出的熱可以使高熔點金屬熔化併流出,故鋁熱法廣泛運用於焊接搶險工程之中。另外,鋁熱法也是冶鍊釩、鉻、錳等高熔點金屬的重要手段。

除此之外,其他的金屬單質與金屬氧化物混合之後點燃,也會發生強烈的氧化還原反應,效果類似於鋁熱反應。其中的金屬單質可以是鋁、鎂、鈣、鈦、硅、硼,而金屬氧化物可以是三氧化二硼、二氧化硅、三氧化二鉻、二氧化錳、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化銅和四氧化三鉛等。有時這些反應也根據反應中的還原劑而被稱為「鎂熱法」、「硅熱法」、「鈣熱法」、「碳熱法」等等。

6 鋁熱反應 -相關條目

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 磷酸鹽 釙 三氟乙酸 氯化鈣 無機化學
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 生物無機化學 酸鹼理論 固體電解質 能級交錯 氯化鉀

7 鋁熱反應 -參考資料

1、http://chem.cersp.com/HXJS/200604/561.html
2、http://www.eku.cc/xzy/sctx/111146.htm
3、http://czhx.yimingjiaoyu.com/Image.aspx?ItemId=41582
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