3D 化學實驗：激烈的鋁熱反應 (Vigorous Thermite Reaction)

3D 化學實驗：激烈的鋁熱反應 (Vigorous Thermite Reaction)
國立彰化師範大學化學系 林聖揚、顧展兆、楊水平

前言

鋁熱反應是工業史上一個重要的里程碑，它產生的高熱不但可使高熔點的金屬融化，而且可應用在焊接上。本實驗利用簡單的裝置進行鋁熱反應，過程中發生劇烈的氧化還原反應，精采奪目的火花四處噴射，同時放出高溫使鋁罐熔化，並且產生可被磁鐵吸引的鐵。

實驗影片

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藥品與器材

1. 氧化鐵（Iron(III) oxide） 20 g
2. 鋁粉（Aluminium powder） 8 g
3. 鎂帶（Magnesium ribbon） 約3 cm
4. 氯酸鉀（Potassium chlorate） 少量
5. 鋁罐 1個
6. 研缽 1組
7. 剪刀 1支
8. 刮勺 1支
9. 太陽眼鏡 1副

本實驗所使用的藥品與器材如圖一所示。

圖一、使用的藥品與器材

實驗步驟

1. 配製鋁熱劑：取一組研缽，放入20 g的氧化鐵和8 g的鋁粉，均勻混合，如圖二所示。
   

   圖二、配製鋁熱劑

2. 取一個鋁罐，距離底部約4-5 cm之處剪斷鋁罐，如圖三左所示。修剪鋁罐的粗造邊緣，以免割傷皮膚，如圖三右所示。
   

   圖三、剪斷鋁罐（左）並修剪鋁罐（右）

3. 倒入混合均勻的鋁熱劑到鋁罐中，如圖四左所示。手持鋁罐，在桌面上輕敲使鋁熱劑平鋪，如圖四右所示。
   

   圖四、倒入鋁熱劑到鋁罐中（左）並平鋪鋁熱劑（右）

4. 利用剪刀，細心地裁剪鎂帶成為三條鬚狀，以利點燃，如圖五左和中所示。然後，彎折鎂帶的鬚狀成為傘狀，如圖五右所示。
   

   圖五、裁剪鎂帶成為鬚狀和（左和中）並彎折鬚狀成為傘狀（右）

5. 鎂帶的另一端折成L型，如圖六左所示。傘狀朝上，L型的鎂帶插入鋁熱劑中，如圖六右所示。
   

   圖六、鎂帶的另一端折成L型（左）並插入鋁熱劑中（右）

6. 在鎂帶的周圍加入3小匙的氯酸鉀，如圖七所示。
   

   圖七、加入氯酸鉀

7. 戴上太陽眼鏡，點燃鎂帶的傘狀部分。

實驗結果

點燃鎂帶後，鋁熱劑產生精彩奪目的火花四處噴射，同時放出高溫使鋁罐熔化，如圖八～十一所示。產生的產物及其檢驗可被磁鐵吸引的鐵，如圖十一～十二所示。以下照片的左圖是2D的照片，右圖是3D照片，必須戴紅藍眼鏡才能觀看立體效果。

圖八、鋁熱劑發生反應產生精彩奪目的火花之初始階段

圖九、鋁熱劑發生反應產生精彩奪目的火花之中間階段

圖十、鋁熱劑發生反應產生精彩奪目的火花之最後階段

圖十一、鋁熱劑反應後產生的產物且鋁罐完全熔化不見了

圖十二、鋁熱劑反應的產物經檢驗可被磁鐵吸引，證明為鐵金屬

原理與概念

• 鋁熱反應（Thermite reaction）是透過加熱用鋁粉使金屬氧化物還原的一種方法，又稱鋁熱法，通常是用鋁粉與氧化鐵進行反應，過程中溫度可達3000℃，同時放出耀眼的光芒並濺射的火花，其反應如[1]式所示。
  Fe₃O₂(s) + 2Al(s) → 2Fe(s) + Al₂O₃(s)—-[1]­
  根據反應式[1]，透過化學計量，可計算出鋁粉與氧化鐵的最佳重量比例約為1:2.95，然而本實驗使用比例為1:2.5，這是為了便利藥品的秤量。
• 金屬鎂是活潑金屬，易與空氣的氧氣反應，燃燒的溫度約3100℃（3370K）。鎂帶的自燃溫度是473℃（746K），鎂帶燃燒需要點火才能達到反應的活化能，在低溫的潮濕環境中鎂的氧化活化能接近60 kJ/mol，在氧氣中鎂的氧化活化能為148 kJ/mol。燃燒時產生強烈的且明亮的白光，其用途包括閃光攝影、照明及煙火。金屬鎂燃燒，產生強烈的白光和放出熱量，並產生白色的氧化鎂，其反應如式[2]所示
  2Mg(s) + O₂(g) → MgO(s) △H = –1204 kJ/mol—-[2]
• 鋁熱反應需要足夠的溫度才有辦法點燃，本實驗使用鎂帶引燃，以氯酸鉀為助燃劑，目的是提供鎂帶燃燒所需的氧氣。值得注意的是，鋁熱反應本身不需要氧氣，因此就算隔絕空氣仍然能夠進行。鎂帶與氯酸鉀反應，其反應如式[3]所示。
  3Mg(s) + KClO₃(s) → 3MgO(s) + KCl(s)—-[3]
• 藉由計算鋁熱反應的反應熱，了解本實驗產生高溫的危險性。根據文獻資料查知：
  Al + 3/4O₂ → 1/2Al₂O₃ △H = 838 kJ（鋁的燃燒熱為838 kJ/mol Al）
  2Fe + 3/2O₂ → Fe₂O₃ △H = 824 kJ（氧化鐵的生成熱為824 kJ/mol Fe2O3）
  因此，利用反應式[1]，鋁熱反應的反應熱為：838 kJ x 2 – 824 kJ = 852 kJ，本實驗約使用0.125 mol，因此產生的熱量為107 kJ。這反應產生的溫度可達到約2200℃，足以使熔點為1530℃的鐵和660.3℃的鋁發生熔化，以致可觀察到火紅的鐵和熔化的鋁。

教學提示

1. 本實驗除了產生高溫的飛濺火花，還會伴隨濃煙，因此適宜在空曠的場所進行實驗。實驗時必須配戴手套和太陽眼鏡，並保持適當的安全距離。
2. 本實驗可搭配氧化還原和反應熱相關章節進行教學。
3. 在反應結束後，用磁鐵檢驗時，務必等待並確認生成的金屬塊是否完全降到室溫，以免燙傷。

安全

1. 本實驗務必在室外空曠處進行，並確認周圍無乾草、紙張等易燃物，準備好滅火器，以防萬一。
2. 本實驗務必穿實驗衣和戴安全眼鏡的防護下進行。鋁熱反應會發生強光，因此必須戴太陽眼鏡，以保護眼睛。
3. 對本實驗實行適當的風險評估是教師的責任。

廢棄物處理

• 若有未反應的鋁粉和氧化鐵粉混合物，必須放到標示「易燃固體」的廢棄桶中。
• 反應後的固體物質可放到一般垃圾桶中。

參考資料

1. Oxidation of Magnesium: Implication for Aging and Ignition, Hongqi Nie, Mirko Schoenitz, and Edward L. Dreizin, J. Phys. Chem. C, 2016, 120 (2), pp 974–983. http://goo.gl/MLdklx.
2. Magnesium, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Magnesium.
3. Chapter 5. Thermochemistry, http://web.gccaz.edu/~ldiebolt/Chm151/ch5an.pdf.
4. 教えてテルミー「テルミット法」！http://rakuchem.com/termit.htm.
5. テルミット法，https://ja.wikipedia.org/wiki/テルミット法.
6. 鋁熱法，https://zh.wikipedia.org/wiki/铝热法。
7. 鋁熱反應，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=48490。