臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan微量化學實驗：鋁熱反應的微量示範實驗
林聖揚、顧展兆、楊水平*
國立彰化師範大學化學系
*[email protected]
n 前言
本實驗的主題—鋁熱反應，涉及氧化還原反應以及吸熱和放熱。有關氧化還原反應，在102課程綱要微調中被編列於高中基礎化學（二）的「氧化還原反應」應修內容和高中選修化學的「氧化還原反應」主題；在107課程綱要中編列於高中必修化學中的「物質的反應、平衡與製造」主題之「氧化與還原反應」次主題；並編列於國中化學科的「氧化與還原反應」次主題。有關吸熱和放熱，102課程綱要微調被編列在高中基礎化學（一）的「化學反應中的能量變化」應修內容；在107課程綱要中編列於高中必修化學的「能量的形態與轉換」次主題。
雖然鋁熱反應的聲光效果引起很多人的興趣，但是這實驗具危險性，無法讓學生動手操作，必須由專業教師來演示。我們企圖開發以微量實驗的設計來演示鋁熱反應。我們的構想是用最少量的鋁熱劑又能發揮鋁熱反應的效果為設計目標，我們規劃本示範實驗的教學以POE (Prediction – Observation – Explanation) 為教學策略。
n 過去的實驗與本次微量的構想
一、過去的實驗設計
傳統上，由於鋁熱反應是非常激烈的反應，產生極高的溫度，以致相當危險。在反應過程中釋放熔融鐵能夠噴出相當遠的距離，而且高溫可能融化金屬容器。通常，需要專業的教師或表演者演示（見圖一），不適合用於學生動手操作實驗。[1]
圖一：鋁熱反應是非常激烈的反應，通常由教師在室外演示
（圖片來源：Thermite, https://en.wikipedia.org/wiki/Thermite.）
示範教學需要讓學生感到直覺衝突的視覺現果，通常需要使用大型的器材而且大量的用藥。經過搜尋，目前已有很多鋁熱反應的示範教學資源，在此列出四種不同的配方及其用量：(1)50-55克的氧化鐵、15克的鋁粉、20-25g的高錳酸鉀以及5–6 mL的甘油（丙三醇）[2]；(2)50 g的細粉狀氧化鐵、15 g的鋁粉、20 g的高錳酸鉀以及數毫升的甘油[3]；(3)40 g的氧化鐵、10 g的鋁、20 g的高錳酸鉀、一小勺的過氧化鈉以及一片鎂帶[4]；(4)9 g的氧化鐵（乾燥）、3 g的鋁粉、一支10公分以上的仙女棒[5]，此為所有教學資源中使用最少量的配方。鋁熱反應會產生相當大的煙霧和火花，必須在戶外通風處或在有特殊裝備的室內表演。
二、本次實驗的設計構想
我們企圖開發使用最少的藥品又不會製造過多煙霧的鋁熱反應，可以在教室中創造歧異事件（discrepant event），讓學生和觀眾可感受到視覺的震撼效果。我們測試一些變因：使用砂浴和鋁盤、大小不同空鋁罐、鋁熱劑（氧化鐵和鋁）配方的使用量、鋁熱劑配方比例的調整、鋁熱劑的點燃方式等。適合於教室中演示的最佳鋁熱劑配方和裝置如下描述。
n 觀賞影片
本實驗由國立彰化師範大學化學系學生林聖揚和顧展兆試作實驗、拍攝影片以及影片後製作，影片如影片一所示。
影片一：鋁熱反應的微量示範實驗 Microscale Demonstration of the Thermite Reaction
（影片網址：https://www.youtube.com/watch?v=LVZKYezxxZM）
n 藥品和器材
空鋁罐（先用磨砂紙去除外層漆） 1個、氧化鐵（Ferric oxide, iron(III) oxide, Fe2O3） 2.5 g、鋁粉（Alumina powder） 1 g、氯酸鉀（Potassium chlorate, KClO3） 1小匙、鎂帶（Magnesium ribbon） 5-8 cm、剪刀 1支、研缽 1組、微量藥匙 1支、天平 1台、秤量紙 2張、打火機 1個、釹鐵硼強力磁鐵 1個，如圖一所示。
圖一：鋁熱反應所需器材和藥品
n 事前準備
1. 秤取1.0 g的鋁粉和2.5 g的氧化鐵粉末，放入研缽中，混合均勻，如圖二所示。
圖二：鋁粉（左）和氧化鐵粉末（右）
2. 取1條5-8 cm長的鎂帶，用剪刀剪成三支分叉，上端彎曲成傘狀，下端彎曲成L型，如圖三所示。
圖三：鎂帶剪成三支分叉（左）和鎂帶做處理（右）
3. 用微量藥匙，撥入均勻混合的兩粉末到一個倒置的鋁罐底部凹槽內。如圖四所示。
圖四：混合粉末放入鋁罐凹槽內
4. 插入處理過的鎂帶在鋁罐凹槽內；並在鎂帶周圍加入1小匙的氯酸鉀，如圖五所示；完成鋁熱反應裝置。
圖五：鎂帶放在鋁罐凹槽內（左）；在鎂帶周圍加入氯酸鉀（右）
n 正式示範
1. 攜帶事前準備的鋁熱反應裝置和太陽眼鏡到教室或表演場所，放置在桌上，如圖六所示。
圖六：鋁熱反應裝置放置在桌上
2. 告訴學生或觀眾鋁罐凹槽內放置的化學藥品及其如何事先準備，亦可請學生觀看（預測階段）。
3. 請學生或觀眾預測點燃鋁熱劑會發生什麼變化及說明可能的原因，並填寫在學習單上（預測階段）。
4. 等學生或觀眾填寫完畢，請學生遠離示範位置約3公尺以上。
5. 教師戴上太陽眼鏡，用打火機點燃鎂帶，如圖七所示；並請學生或觀眾觀察變化現象（觀察階段）。
圖七：打火機點燃鎂帶
6. 請學生或觀眾仔細觀察鋁罐底部凹槽的產物（觀察階段）。
7. 教師用一塊強力磁鐵，吸引何種產物可被吸引（觀察階段）。
8. 請學生或觀眾填寫變化現象在學習單上（觀察階段）。
9. 請學生或觀眾在個人的學習單上撰寫變化現象的理由（解釋階段）。
10. 學生互相討論變化現象背後的化學原理，並在學習單上修改或補充解釋（解釋階段）。
11. 教師總結鋁熱反應的化學原理，在學習單上學生修改或補充解釋（解釋階段）。
12. 教師與學生互相討論或教師提出鋁熱反應的相關應用，並請學生填寫在學習單上。
n 變化過程及現象
混合鋁熱劑（氧化鐵粉末與鋁粉）後，透過鎂帶的點燃和添加少量的助燃物（氯酸鉀）幫助啟動反應，反應的過程中發生劇烈的火花與聲響，最後看到炙熱的鐵，待其冷卻後利用強力磁鐵吸引驗證其產物是否為鐵，其詳細變化過程如下描述。
一、 發生白色強光過程
點燃鎂帶後，剛開始產生小點的白色強光，繼續燃燒白光越來越強，而且白色煙霧越來越多，如圖八所示。
圖八：開始點燃鎂帶（左）；白光越來越強，白色煙霧越來越多（由左而右）
二、 瞬間激烈反應過程
接著，瞬間引起激烈反應，產生強大的火焰，非常壯觀；然後瞬間火焰變小，如圖九所示。
圖九：瞬間引起強大的火焰（左）；然後瞬間變小（右）
三、 衝出金黃色火花過程
然後，產生一叢金黃色的火花並有嘶嘶叫的聲音，火光瞬間大量往上衝出並有很多黃色的光點掉落在桌面上。最後，金黃色的火花變小，掉落在桌面上的光點也逐漸熄滅。其過程如圖十所示。
圖十：一叢金黃色的火花（左）；金黃色的火花變小（由左而右）
四、 反應後檢驗
1. 燃燒熄滅後，鋁罐凹槽出現很多的白色粉末和黑色的小塊狀，如圖十一所示。
圖十一：燃燒熄滅後，產物的外觀
2. 用強力磁鐵可吸起一些小鐵塊，而且可吸起平放在桌面上的鋁罐，其吸力可以使平躺的鋁罐直立，如圖十二所示。
圖十二：強力磁鐵可吸起小鐵塊（左）；磁鐵可以使平躺的鋁罐直立（由中而右）
n 廢棄物處理
l 產物無毒性，粉末先用大量的流水沖掉，固體物可丟棄到回收金屬的垃圾桶中。
n 化學原理與概念
依照鋁熱劑發生反應的四階段過程，涉及的化學原理與概念分別說明如下：
一、 發生白色強光過程—鎂帶燃燒過程
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。[6] 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[1]所示。[6-8]
2Mg(s) + O2(g) → MgO(s) △H = –1204 kJ/mol [1]
二、 瞬間激烈反應過程—氯酸鉀分解過程
藉由鎂帶燃燒所放出的熱量，使氯酸鉀加熱而發生分解反應，產生氧氣和氯化鉀，其反應如式[2]所示。此處氧氣的功能有二：幫助鎂帶繼續燃燒；引燃鋁熱劑。在無催化劑存在下，加熱氯酸鉀會變成過氯酸鉀（potassium perchlorate），其反應如式[3]所示。隨著進一步加熱，過氯酸鉀會分解為氯化鉀和氧氣，其反應如式[4]所示。
KClO3(s) + heat → KCl(s) + 3/2O2(g) [2]
4KClO3(s) + heat → 3KClO4(s) + KCl(s) [3]
KClO4 + heat → KCl + 2O2 [4]
再者，藉由鎂帶燃燒放出的熱量，提供氯酸鉀和過氯酸鉀與鎂的反應，並且放出大量的熱，其反應分別如式[5, 6]所示。[9] 這些反應是煙火、仙女棒及沖天炮等含有火藥成分的激烈反應。通常含有鋁粉和鋁鎂合金粉的閃光粉，鋁粉和鎂粉在過氯酸鉀中燃燒會產生劇烈的白色強光，並造成白色火花的效果。
KClO3(s) + 3Mg(s) → KCl(s) + 3MgO(s) + light [5]
KClO4(s) + 4Mg(s) → KCl(s) + 4MgO(s) + light [6]
三、 衝出金黃色火花過程—鋁熱反應過程
當鎂帶迅速燃燒時以及氯酸鉀和過氯酸鉀與鎂反應時，所產生大量的熱能夠促使鋁熱劑（鋁粉和氧化鐵）迅速產生非常激烈的氧化還原反應，有如爆炸般的反應，並且放出大量的熱，其反應如式[7]所示。[10] 此外，有研究提到：由於鋁熱劑含有過量的鋁，因此鋁粉和與產物鐵熔融而形成鋁鐵合金（Fe3Al）和氧化鋁，其反應如式[8]所示。[11] 對於8Al-3Fe2O3的反應，其反應活化能為145 kJ/mol。[11]
Fe2O3(s) + 2Al(s) → 2Fe(s) + Al2O3(s) H = –847.6 kJ [7]
3Fe2O3(s) + 8Al(s) → 2Fe3Al(s) + 3Al2O3(s) [8]
鋁熱反應本身為放熱反應，生成2莫耳鐵的ΔH° = –849 kJ/mol，這反應產生的溫度可達到約2200℃，足以使熔點為1530℃的鐵發生熔融，以致可觀察到火紅的鐵。[12]
四、 反應後檢驗—產生金屬鐵
鋁熱反應的產物之一為金屬鐵，可用磁鐵的吸引來判斷是否產物為鐵。金屬鐵有順磁性（paramagnetism），可被磁鐵吸引。順磁性是指一種物質的磁性狀態，有些物體當受到外部磁場的影響而產生指向相反的磁化向量的特性，這樣的物質具有正的磁化率。與順磁性相反的現象被稱為抗磁性，不會被磁鐵吸引。[13-15]
簡單地說，原子外圍的電子之量子數分成四種：主量子數、角量子數、磁量子數及旋量子數。順磁性主要依據旋量子數，每一個軌域都可以填滿兩個旋量子數不同的電子（+1/2和-1/2），以鐵為例，鐵的電子組態如圖十三所示：
圖十三：鐵的電子組態
依照洪德定則（Hund’s rule），金屬鐵的3d有五個軌域，只有六個電子，其中一個軌域填滿兩個電子，其他四個軌域中有四個未成對電子（unpaired electrons），因此可以推知金屬鐵是順磁性的物質，如圖十四所示。[13-15]
圖十四：金屬鐵的3d軌域中有四個軌域填未成對電子
（圖片來源：http://goo.gl/GJjkIy）
在1893年，德國化學家Hans Goldschmidt發現鋁熱法，最初的目的是在於不用碳的條件下製備出高純度的金屬，Goldschmidt發現的鋁熱法亦可用來焊接，在1899年成功應用該方法於焊接鐵軌上。[1]
鋁熱法最常見的組合物是鐵鋁熱劑。通常使用的氧化劑為氧化鐵（iron(III) oxide）或氧化鐵與氧化亞鐵混合（iron(II,III) oxide），前者會產生更多的熱量，後者是更容易點燃，這可能是由於氧化物的晶體結構不同所致。鋁熱反應有許多用途，鋁熱劑不是炸藥。鋁熱反應以極高的溫度下使用在非常小的區塊上，可用於切割金屬或焊接金屬，而無需複雜或重型的設備。鋁熱反應用於純化礦石的某些金屬，此被稱為鋁熱劑處理，或鋁熱反應（aluminothermic reaction）。此反應的修改，可用來獲得純鈾。鋁熱反應的溫度極高，亦用於製作燃燒彈，可熔穿裝甲。銅鋁熱劑（氧化劑為氧化亞銅或氧化銅）用於電氣連接，焊接厚銅使導線接在一起，廣泛用於電力事業和通訊工業。[1]
n 示範教學原理
化學反應千變萬化，聲光色俱全而且多彩多姿。化學示範（Chemical demonstrations）是透過驚奇有趣的化學實驗來展示化學的奧妙和魅力，在教學中常創造歧異事件（discrepant event）以互動方式來引起學生對化學的興趣，進而促進學生對化學知識的理解。因此，化學示範強調娛樂性和教育性，它是一種非常有勁道的教學策略。鋁熱反應的過程中瞬間產生激烈的火花和尖銳的聲響，教師很容易用此示範實驗來創造歧異事件。
藉由引人注意的示範實驗和歧異事件，教師創造教學方法去「鉤住」學生的學習。歧異事件使學生產生興趣和好奇心而去探究有關特別的現象。[16] 歧異事件創造認知失調（cognitive dissonance），或皮亞傑所說的失衡（disequilibrium），因為如此事件的觀察不真正地同化學生既有的理解。歧異事件的觀察與學生先前經驗是直覺相反的，使得學生迅速地產生疑問。教師可以透過鋁熱反應的示範教學，讓學生的認知失衡，感到驚訝而後產生疑問和好奇，對鋁熱反應感到興趣，進而學習氧化還原反應以及放熱和吸熱。
化學教師要在什麼時機揭露歧異事件所涉及的「化學概念和原理」給學生或觀眾呢？研究指出「對學習者展示的直覺冒犯事件必須在如此的方式，在該事件下的科學原理不立刻地被揭露。」[16] 本示範實驗的規劃採用POE教學策略，以符合科學原理不立刻地被揭露。POE是Prediction（預測） – Observation（觀察） – Explanation（解釋）」的簡稱，由White and Gunstone 在1992年提出，作為一種有效的教學策略引發學生的想法，並促進學生對於他們想法的討論。該教學序列最初源於Champagne, Klopfer及Anderson於1980年所發展之DOE（Demonstration – Observation – Explanation）的研究工具。[17]
在進行POE教學之前，教師事先建立一個能夠使學生驚訝，且易於觀察主題的示範實驗，並在示範前告知學生等下你要準備做什麼事，其教學流程：(一)預測：要求學生獨立地寫出實驗即將發生什麼的預測；要求學生思考他們將看到什麼並思考說明可能的原因。（二）觀察：教師演示示範實驗；讓學生有足夠的時間觀察現象；要求學生寫下觀察到的變化現象。（三）解釋：要求學生對於觀察的現象做出修改或補充解釋；當學生於講義上撰寫好解釋後，一起討論他們的想法。[18]
n 教學提示
l 上課時間安排：POE教學說明，約5分鐘；示範實驗，約5分鐘；學生撰寫POE和討論，約15分鐘；教師總結，約10分鐘。
l 本實驗可配合國中自然與生活科技的「氧化與還原」學習內容、高中基礎化學和高中選修化學的「氧化還原反應」和「放熱和吸熱」學習內容進行此示範教學。
l 針對此示範實驗，教師應注意安全，雖然反應物的使用量很少，但是依然會產生火光和高溫。鎂帶燃燒會放出刺眼白光（有紫外光），必須戴使用太陽眼鏡。
l 雖然本實驗藥品取用少量，但是在操作時，必須在通風良好的教室中演示，並配戴標準的實驗安全配備，並與學生保持一定的安全距離。由於反應更激烈，以致危險性更高，不建議在教室中演示，宜在戶外進行。
l 本實驗使用的空鋁罐可用丟棄的鋁罐，節省實驗成本。藥品用量相當少，可以避免浪費藥品。
l 若鋁熱反應的反應物（鋁和氧化鐵）增加一倍的使用量，反應變化會更戲劇性，整個鋁罐底部會被熔化掉，整塊火紅的熔化鐵會掉到鋁罐的內部。
n 結語
經測試結果，在藥品用量方面，2.5 g的氧化鐵和1 g的鋁粉即可作為具有聲光效果的鋁熱反應之示範實驗，比傳統上使用50 g的氧化鐵和15 g的鋁粉，節省約20倍的用量。雖然用量變少很多，但是此鋁熱反應所產生的聲光效果依然明顯，教師可以藉此示範實驗創造歧異事件。
本文的鋁熱反應過程以圖文並茂方式分四階段詳密描述，在變化現象方面：(1)瞬間激烈反應過程、(2)瞬間激烈反應過程、(3)衝出金黃色火花過程、以及(4)反應後檢驗。在化學原理和概念方面：(1)發生白色強光過程—鎂帶燃燒過程、(2)瞬間激烈反應過程—氯酸鉀分解過程、(3)衝出金黃色火花過程—鋁熱反應過程、以及(4)反應後檢驗—產生金屬鐵。此外，在示範教學方面，概括地描述示範教學的原理：歧異事件和POE的教學策略。這些資料可提供教師演示此鋁熱反應的教學參考。
n 參考文獻
1. Thermite, https://en.wikipedia.org/wiki/Thermite.
2. Thermite Reaction, http://cldfacility.rutgers.edu/content/thermite-reaction.
3. The Thermite Reaction, he General Chemistry Demo Lab, http://www.ilpi.com/genchem/demo/thermite/.
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5. The thermite reaction, Royal Society of Chemistry, http://goo.gl/xKXpbj.
6. 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.
7. Magnesium, Wikipedia,https://en.wikipedia.org/wiki/Magnesium.
8. Chapter 5. Thermochemistry, http://web.gccaz.edu/~ldiebolt/Chm151/ch5an.pdf.
9. Potassium chlorate, https://en.wikipedia.org/wiki/Potassium_chlorate.
10. The Thermite Reaction, http://www.ilpi.com/genchem/demo/thermite/.
11. Kinetics of thermite reaction in Al-Fe2O3 system, Run-Hua Fan, Hong-Liang Lü, Kang-Ning Sun, Wan-Xia Wang, and Xin-Bing Yi, Thermochimica Acta., 2006, 440 (2), 129–131. 440 (2006) 129–131, http://goo.gl/IiriIu.
12. Smashing Thermit Reaction, Flinn Scientific, Inc., http://goo.gl/w5D5LV.
13. 化學示範實驗：紙鈔含鐵嗎？（Is There Iron in Paper Dollar Bills?）﹝II﹞，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=33760。
14. Paramagnetic Properties of Fe, Fe2+ and Fe3+, http://chemed.chem.purdue.edu/demos/demosheets/6.3.html.
15. Paramagetism, http://en.wikipedia.org/wiki/Paramagnetism.
16. Eugene L. Chiappetta and Thomas R. Koballa, Jr.;Science Instruction in the Middle and Secondary Schools, 8th Ed., 2014, Pearson, Upper Saddle River, N.J.
17. 楊凱梯、王子華、邱美虹。應用數位影音融入POE教學改善國小高年級學童脊椎動物分類另有概念之效益研究。科學教育學刊。2009, 17(5), 387-407.
18. Predict, Observe, Explain (POE), Chris Joyce, http://arbs.nzcer.org.nz/strategies/poe.php.
n 學生實驗手冊
下載本微量實驗的學生POE學習單—「鋁熱反應的微量示範實驗」。