用多孔泡沫金屬改進(jìn)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的若干案例

摘要：多孔泡沫金屬是一種具有多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型功能材料，具有孔隙率高、比表面積大等特征。設(shè)計了四個實(shí)驗(yàn)案例，介紹泡沫金屬在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。用泡沫鎳作為氫氧燃料電池的電極，可以在其孔隙結(jié)構(gòu)中儲存更多氣體，延長放電時間。用泡沫銅卷曲后催化氧化乙醇，可增大接觸面積，提高催化效果。用泡沫鎳負(fù)載TiO2后，可用于紫外光催化分解甲醛。用泡沫鋅與稀硫酸反應(yīng)，可大大提高反應(yīng)速率，證明反應(yīng)物接觸面積對速率的影響。關(guān)鍵詞：多孔泡沫金屬；比表面積；中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)1引言多孔泡沫金屬是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的固體金屬（通常有銅、鎳、鐵、鋁等），其主要特征是高孔隙率，僅有5%～25%的體積是基底金屬，其余部分由空氣孔隙構(gòu)成。以泡沫鎳（圖1）為例，其金屬基底具有三維立體的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)（圖1左圖和中圖），金屬骨架相互交連，形成多面體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在大量孔隙（圖1右圖）。作為一種新型功能材料，泡沫金屬已被用于催化載體、阻燃防爆、吸音、鉆井隔水管浮筒、人工骨等多個領(lǐng)域［1］。本文結(jié)合四個具體實(shí)驗(yàn)案例，介紹如何利用泡沫金屬的特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，改進(jìn)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。歸納而言，主要有以下四種改進(jìn)思路。（1）儲存氣體：泡沫金屬具有錯綜復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)其浸入溶液中后，小氣泡不易穿過網(wǎng)狀金屬骨架，因此泡沫金屬內(nèi)可以儲存一些氣體。（2）高效催化：當(dāng)泡沫金屬的基底金屬本身就是催化劑時，可以實(shí)現(xiàn)更高效的催化效果，因?yàn)楫?dāng)液體或氣體通過泡沫金屬時可以更充分地接觸。（3）負(fù)載催化：即使基底金屬本身不是催化劑，也可以在金屬骨架上負(fù)載催化物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高效催化的功能。（4）增大反應(yīng)速率：泡沫金屬的比表面積極大，當(dāng)金屬參與反應(yīng)時，可增大反應(yīng)物接觸面積，從而增大化學(xué)反應(yīng)速率。2泡沫鎳作電極的氫氧燃料電池2.1實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路氫氧燃料電池是高中化學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)，常見思路是以惰性物質(zhì)作電極，先電解水生成氫氣和氧氣，儲存在2個電極上，然后把電極連接到電路中，形成氫氧燃料電池。教材實(shí)驗(yàn)用2個多孔碳棒作為電極，但其吸附氣體的能力有限，驅(qū)動小電扇的放電時間不長［2］。為了讓電極儲存更多氣體，有研究者在石墨電極外包裹泡沫塑料［3］，但泡沫塑料中只有與碳棒接觸的部分氣體能參與電極反應(yīng)，其余不參與反應(yīng)的氣體反而會阻礙電解質(zhì)溶液與電極的接觸，造成放電效率降低。筆者嘗試直接使用泡沫金屬作為電極，不僅具有類似泡沫塑料一樣的儲存氣體的結(jié)構(gòu)，而且整個泡沫金屬都具有導(dǎo)電性，使電極材料、電極反應(yīng)物和電解質(zhì)溶液能夠充分接觸。2.2實(shí)驗(yàn)材料儀器：剪刀、刻度尺、電解盒、接線柱、導(dǎo)線、開關(guān)、小電扇、9V電池或直流電源藥品：1mol/LNa2SO4溶液、泡沫鎳（注：理論上泡沫鎳厚度越大，儲氣越多，效果越好，但厚度太大又不便于用剪刀裁剪，筆者多次嘗試后選用了1.7mm厚的泡沫鎳）2.3實(shí)驗(yàn)步驟（1）按照圖2左上角的圖示，每個電極都需要剪下8片泡沫鎳片，分別為：6片橫向的正方形隔板、1片單獨(dú)的側(cè)面、1片三聯(lián)的側(cè)面。按照圖示“雙線”的位置，在泡沫鎳片上剪出缺口。（2）把1片三聯(lián)的側(cè)面按照圖示“虛線”的位置彎折90°，接著把6片正方形隔板按照編號插入其中，然后把1片單獨(dú)的側(cè)面從左向右插入。這樣就拼裝成了長和寬均為20mm的立方柱，內(nèi)含AB、BC、CD、DE、EF五個高10mm的腔室。（3）按照相同的方法制作另一個泡沫鎳電極，然后將其安裝在電解盒中。倒入Na2SO4溶液。用導(dǎo)線把2個電極與直流電源和開關(guān)S1連接起來，用另幾根導(dǎo)線把2個電極與小電扇和開關(guān)S2連接起來。（4）閉合S1，形成電解水的電解池，通9V直流電5min后斷開。（5）閉合S2，形成氫氧燃料電池，供小電扇運(yùn)轉(zhuǎn)，記錄轉(zhuǎn)動時間。2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果S1閉合形成電解池后，2個泡沫鎳電極均生成氣體，氣泡不僅可儲存于泡沫鎳自身的孔隙（約占80%體積）的內(nèi)部，還可以儲存于五個相對獨(dú)立的腔室中（例如，平面E產(chǎn)生的氣體向上逸出后會被平面D擋?。?，因此儲氣量極大。S2閉合形成燃料電池后，小電扇立刻開始轉(zhuǎn)動，持續(xù)工作67s。作為對比，筆者把泡沫鎳電極換成多孔碳棒，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，此時小電扇僅能工作14s。上述結(jié)果證明，泡沫鎳電極的設(shè)計提高了儲氣量，提高了燃料電池的放電性能。3泡沫銅催化乙醇氧化3.1實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路泡沫金屬不僅比表面積大，而且透氣性、透水性好，可以允許反應(yīng)物流過、充分接觸，因此可用于高效催化。在實(shí)際操作中筆者發(fā)現(xiàn)，片狀的泡沫金屬易裁剪，而且可以彎曲成任意形狀，非常適合代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粉末狀或絲狀金屬催化劑，“泡沫銅催化氧化乙醇”實(shí)驗(yàn)僅僅是其中一個例子。3.2實(shí)驗(yàn)材料儀器：剪刀、刻度尺、粗口徑的短試管（或50mL燒杯）、酒精燈藥品：1.5mm厚的泡沫銅、銅絲、無水乙醇3.3實(shí)驗(yàn)步驟（1）如圖3所示，剪下一塊長3cm、寬2.5cm的泡沫銅片，在一個角多預(yù)留一小片泡沫銅片，用剪刀的尖頭在預(yù)留處戳一個小孔。（2）把泡沫銅片按螺旋狀卷成圓筒，內(nèi)部可以寬松一些。然后用一根銅絲穿過小孔固定，使泡沫銅圓筒被銅絲吊著。（3）在試管中倒入少量無水乙醇。把泡沫銅圓筒置于酒精燈上加熱至紅熱，然后插入試管中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果紅熱的泡沫銅圓筒伸入試管乙醇上方后，觀察到泡沫銅圓筒自下而上由黑變紅，然后能保持紅熱。與螺旋狀的銅絲催化劑相比，泡沫銅催化劑更加穩(wěn)定，成功率高，不易中途冷卻。這是因?yàn)殂~催化氧化乙醇的反應(yīng)實(shí)際上分為兩步［4］：銅被空氣中的氧氣氧化2Cu+O2△2CuO，然后氧化銅被乙醇蒸氣還原CH3CH2OH+CuO△CH3CHO+Cu+H2O。由此可見，實(shí)驗(yàn)成功率提高的關(guān)鍵原因是泡沫銅與氣體（氧氣、乙醇蒸氣）充分接觸，而且泡沫銅的表面積非常大，能夠生成更多氧化銅。4泡沫鎳負(fù)載TiO2光催化分解甲醛4.1實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路常用的除甲醛方法主要是用活性炭物理吸附，但這種方法對甲醛的吸附有限，且速率緩慢。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)用TiO2等作為光催化劑，在紫外光照射下可以光解甲醛、甲苯等空氣中的有害物質(zhì)，具有降解能力強(qiáng)、降解徹底的優(yōu)點(diǎn)［5］。但是TiO2粉末如果直接彌散在空氣中將帶來新的粉塵污染，因此可利用泡沫鎳作為載體，不僅能與空氣充分接觸，還具有高透光率，便于紫外光均勻照射。4.2實(shí)驗(yàn)材料儀器：20W390nm紫外燈、兩個500mL注射器（針筒長度22cm，直徑7cm）、乳膠管、直徑2cm的敞口塑料盒、鐵架臺、大號鐵夾、剪刀藥品：甲醛檢測酚試劑（網(wǎng)購）、TiO2負(fù)載泡沫鎳（可直接網(wǎng)購，也可按文獻(xiàn)［6］方法自制：把2g黑色TiO2溶解于100mL乙醇中，超聲20min后浸漬于泡沫鎳上，最后80℃烘箱烘干24小時）、甲醛4.3實(shí)驗(yàn)步驟（1）如圖4，剪一塊18×15cm的TiO2負(fù)載泡沫鎳，卷曲成圓筒狀后塞入注射器A內(nèi)，然后把活塞安裝在注射器內(nèi)。（2）把注射器A乳頭部位伸入甲醛試劑瓶中，吸取10mL甲醛蒸氣，與注射器內(nèi)原有的空氣混合。（3）用紫外燈照射注射器A內(nèi)的氣體1小時，發(fā)生催化反應(yīng)。（4）在注射器B中放一個小塑料盒，內(nèi)裝有甲醛檢測試劑，注射器活塞推到頂部。用乳膠管連接A和B兩個注射器，然后把注射器A中的氣體推入注射器B中（會把泡沫鎳壓縮成小塊）。（5）靜置20min，用標(biāo)準(zhǔn)比色卡比對甲醛檢測試劑的顏色，讀出甲醛濃度。（6）再做3次實(shí)驗(yàn)作為對照（分別為去掉紫外燈照射、去掉泡沫鎳、既沒有泡沫鎳也沒用紫外燈照射），重復(fù)實(shí)驗(yàn)，比較結(jié)果。4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同實(shí)驗(yàn)條件下的甲醛檢測結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)4是未做處理的甲醛濃度，測得0.7mg/m3，當(dāng)有紫外光照射和泡沫鎳催化（實(shí)驗(yàn)1）時，甲醛濃度降低至0.08mg/m3，去除率高達(dá)88.6%。實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3分別檢驗(yàn)了泡沫鎳和紫外光的必要性，結(jié)果證明了必須有泡沫鎳和紫外光同時存在才能起到最佳的催化效果。本實(shí)驗(yàn)直觀地展示了利用泡沫金屬負(fù)載光觸媒催化的條件和效果，而且該方法對烷烴、鹵代烴、苯系物、醇類、醛酮類和酯類等眾多揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）甚至磺基水楊酸等水污染物同樣適用。5接觸面積對反應(yīng)速率的影響5.1實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路泡沫金屬的比表面積是普通金屬的6～10倍，當(dāng)金屬作為反應(yīng)物時，可以大大增加反應(yīng)物接觸面積，加快反應(yīng)速率。因此，泡沫金屬可以用于探究接觸面積對反應(yīng)速率的影響。5.2實(shí)驗(yàn)材料儀器：試管、10mL量筒、鑷子、剪刀、刻度尺試劑：泡沫鋅片、普通鋅片（注：泡沫鋅片和普通鋅片厚度相同即可，本實(shí)驗(yàn)選用0.5mm厚的兩種鋅片）、0.1mol/L稀硫酸5.3實(shí)驗(yàn)步驟（1）把泡沫鋅片和普通鋅片剪成大小、形狀相同的邊長10mm的正方形。（2）在2個試管中分別倒入10mL0.1mol/L稀硫酸。（3）在2個試管中分別加入裁剪好的泡沫鋅片和普通鋅片，觀察反應(yīng)現(xiàn)象。5.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果普通鋅片與稀硫酸反應(yīng)速率較慢，在表面緩慢地生成一個個氣泡，由小變大，然后緩慢上浮，脫離普通鋅片的表面。泡沫鋅片與稀硫酸反應(yīng)速率明顯更快，從內(nèi)部產(chǎn)生密集的細(xì)小氣泡，相互碰撞著彌散開來，使泡沫鋅片周圍變成了白色，大量氣泡涌向上方。反應(yīng)一會后觸摸放置泡沫鋅片的試管外壁發(fā)熱更明顯。盡管本實(shí)驗(yàn)所用的兩種鋅片的厚度、大小和形狀都相同（控制變量），但由于其表面積（反應(yīng)物接觸面積）不同，反應(yīng)速率存在差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀地證明，鋅與稀硫酸的接觸面積越大，反應(yīng)速率越快。6結(jié)語把新型材料“多孔泡沫金屬”用于中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的嘗試，展示出泡沫金屬的巨大潛力和前景。如今，泡沫金屬的價格已經(jīng)降低到實(shí)用的范圍，網(wǎng)購一片厚度1.7mm、邊長100mm的正方形泡沫鎳片價格僅6元。因此，可以利用泡沫金屬為材料，改進(jìn)和設(shè)計更多的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)：［1］泡沫金屬及其復(fù)合材料性能的研究進(jìn)展［J］.山西冶金，2023，46（5）：76～78，96.［2］氫氧燃料電池演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］.化學(xué)教學(xué)，2022，（4）：