铝片表面致密氧化膜验证实验设计探讨

　　摘要：按一定时间梯度将除膜铝片与氧气接触，随后与稀硫酸反应，根据产生的气泡多少，可以说明铝与氧气结合生成氧化铝薄膜，但膜是逐渐形成的。对比除膜铝片和带膜铝片与盐酸、硫酸、硫酸铜的反应，可以验证铝片表面氧化膜的致密性。此实验原料易得无毒，理论建立在学生已有知识的基础上，实验现象明显，适合教师进行课堂演示。

　　关键词：氧化铝；氧化膜；验证；实验设计

　　无论是初中化学还是高中化学，对于铝不易生锈的原因都是直接用“铝与空气中的氧气反应生成致密的氧化铝薄膜，这层膜起着保护内部金属的作用”［1］说明，教师在课堂教学中也往往是直接进行注入式教学，而没有实验加以验证，这不利于学生直观理解与掌握知识，同时也不利于学生证据推理与模型认知核心素养的培养。此外，高中新教材对铝表面氧化膜性质的表述为:“酸、碱还有盐等可直接侵蚀铝的保护膜（氧化铝也能与酸或碱反应）。”［2］如何证明铝片表面存在一层致密的氧化膜？这层膜是不是立即形成的？它是否能溶于所有的酸？

　　1研究现状

　　鉴于以上原因，有许多一线教师设计实验向学生证明铝片表面存在一层致密的氧化膜。

　　1.1加热熔融不滴落

　　有教师通过演示加热铝片的实验，从“铝熔化但不滴落，像是有一层膜兜着一样”［2］的实验现象出发，让学生直观感受铝片表面存在一层致密的氧化膜。这种方法虽操作简单，但无法证明膜是与空气中氧气反应生成的氧化膜，也无法证明铝片表面氧化膜的致密性，不符合化学学科的严谨要求。

　　1.2以汞齐实验为基础的对比实验

　　周玉重首先使用氯化汞溶液除去氧化膜，再置换出汞生成汞齐，由于汞的存在，铝片在空气中氧化后不能生成致密的氧化铝薄膜而成絮状氧化铝，同时在水中产生气泡［3］。该方法借助实验证明铝片表面致密氧化膜的存在，符合化学学科以实验为基础的要求，但是由于氯化汞溶液有毒性，在中学阶段无法用于学生实验，另外，氯化汞破坏氧化膜形成汞齐也超出了学生的认知。

　　2实验方案的选择

　　分析上述两种方法，验证铝片表面有致密氧化膜实验；需要解决两个问题：一是设计系统的证明实验，二是确保实验在中学阶段的可行性。同时应从两方面入手，一方面引导学生体会铝片表面氧化膜的形成过程；另一方面是验证铝片表面膜的致密性。通过查阅文献和预实验，发现验证铝片表面有致密氧化膜的实验难点主要有以下几点，铝片表面氧化膜厚度在0.01～0.05µm［4］，不易被直接获取进行分析；能与氧化铝反应的物质绝大多数都能与铝反应，不易区别；氧化铝薄膜结构复杂［5］。根据铝片表面的氧化膜不溶于硫酸、硝酸，但可以溶于盐酸，同时强碱溶液可以破坏铝表面的氧化膜的特点［6］，在设计实验时可从以下两方面着手，在学生已有化学知识的基础上进行定性研究，利用氢氧化钠溶液除膜，将除膜铝片进行梯度时间氧化，再与稀硫酸反应，比较不同氧化时间的反应结果，引导学生体会铝片表面氧化膜的形成过程；通过对比除膜铝片和带膜铝片与盐酸、硫酸、硫酸铜的反应现象，验证铝片表面氧化膜的致密性。

　　3器材和药品

　　铝片若干，镊子，胶头滴管4支，水槽2只，实验透明方盒6个。1mol/L的氢氧化钠溶液，1mol/L稀盐酸，1mol/L稀硫酸，1mol/L稀硝酸，饱和硫酸铜溶液。

　　4实验内容

　　4.1铝箔表面氧化膜的形成过程

　　（1）裁剪6片大小相同的铝片，编号为1~6。将铝片1浸泡在盛有1mol/L的氢氧化钠溶液的水槽中2min，取出并在清水槽中清洗1min后，置于标记有25min的实验盒中，同时开始计时。（2）秒表计时2min，将铝片2按步骤（1）除膜，清洗，置于标记有20min的实验盒中。（3）前一步操作完毕间隔2min后，重复上述操作，直至铝片6置于标记有0min的实验盒中。（4）向6只实验方盒内快速倒入1mol/L的稀硫酸溶液，观察实验现象（图1）。实验结论：随着除膜铝片在空气中放置时间的延长，铝与稀硫酸接触后产生的气泡越来越少，说明铝片与空气中的氧气结合生成氧化铝薄膜，但是膜的形成并不是迅速发生的。

　　4.2铝片表面氧化膜致密性的实验探究

　　（1）取一大片铝箔折叠，得到两排各含有4个铝方格的铝格条。（2）向第一排的3个铝方格中分别滴加1mol/L稀盐酸，1mol/L稀硝酸，饱和硫酸铜溶液，第四个铝方格不做处理，观察实验现象。（3）向第二排4个铝方格中先分别滴加1mol/L的氢氧化钠溶液，1min后擦拭去氢氧化钠溶液，再分别在前3个铝方格中滴加1mol/L稀盐酸，1mol/L稀硝酸，饱和硫酸铜溶液，第四个铝方格不做处理，实验现象如图2至图5所示。实验结论：通过第一排第二排铝方格的实验现象对比，以及图2出现红色固体、图3产生气泡等现象，可以证明未除膜的铝箔，即有氧化膜的铝箔表面可以阻绝硫酸铜溶液、稀硝酸溶液、稀硫酸溶液，证明了铝箔表面氧化膜的致密性。但是，从图4实验现象发现，随着时间的延长，盐酸可以溶解铝箔表面的氧化膜，进而与铝箔反应。

　　4.3实验注意事项

　　（1）在探究铝箔表面氧化膜的形成过程时，实验的前期准备和实验演示要紧密衔接进行，防止时间过长干扰实验现象。（2）在探究铝箔表面氧化膜形成过程的演示实验中，学生要小组配合，同时向6个方盒内倒入稀硫酸。（3）在铝片表面氧化膜致密性的实验探究中，用氢氧化钠溶液对第二排铝格除膜后，要擦干净氢氧化钠溶液，防止氢氧化钠溶液与后续试剂反应，干扰实验现象。5总结与评价本实验采用实验室常见的试剂、材料，避免了汞的盐溶液等有毒试剂，此外在课堂上演示占用时间较少，并且是以学生已知的知识为基础，便于学生理解，具有可行性。学生通过本实验不仅能对铝片表面氧化膜的形成过程和致密性有更深层次的认识，同时也能巩固学生对铝及氧化铝的化学性质的掌握。

　　参考文献

　　［1］宋心琦.普通高中课程标准实验教科书化学必修1［M］.北京：人民教育出版社，2007.

　　［2］王晶，郑长龙.普通高中课程标准实验教科书化学第一册（必修）［M］.北京:人民教育出版社，2019.

　　［3］周玉重.证明铝片表面上有氧化铝薄膜的实验［J］.化学通报，1956（1）：53.

　　［4］刘永杰，刘忆，董闯，等.Al2O3薄膜的应用与制备［J］.真空与低温，2002（12）：236.

　　［5］胡敏友，朱志江，张振.带膜铝片放入硫酸铜溶液的实验探究［J］.化学教与学，2019（10）：96.

　　［6］段昌平，夏利君，江岚.对铝表面氧化膜性质的探究［J］.化学教育，2012（11）：102.

　　作者：王岩 蔡文联 单位：闽南师范大学化学化工与环境学院