實驗二 由廢鋁罐製作明礬

一、目的

操作簡單化學反應與分離技術，由廢鋁罐製作明礬。

二、原理

鋁雖然是地殼中含量第三的元素，但提煉鋁需耗費大量能源，廢棄鋁製品包含飲料鋁罐亦是不易分解的廢棄物之一，考慮能源和物質使用效率，目前回收的鋁絕大多數仍會再製為鋁金屬製品。

鋁的化學性質雖然相當活潑，但其表面通常被氧化鋁層所保護，與稀酸的反應較緩慢，而鹼性溶液則可較快速地溶解此一氧化層，然後與鋁金屬發生反應。鋁金屬與過量的鹼反應，形成可溶解的Al(OH)⁴⁻膠體，加入等當量的酸後可生成白色絨毛狀的Al(OH)₃沈澱，若繼續加入過量的酸，則生成可溶解的 Al(H2O)₆³⁺（常簡寫作 Al³⁺ ）。像 Al(OH)₃ 這種能夠同時與酸或鹼反應的物質稱為兩性（amphoteric）物質。具此性質的金屬氫氧化物尚有：Sb(OH)₃、Sn(OH)₂、Sn(OH)₄、Pb(OH)₂、Cr(OH)₃、Zn(OH)₂、Ga(OH)₃、Ti(OH)₄等。

礬類化合物（alums）是具有 A⁺B³⁺(SO₄)₂·12H₂O 分子式的鹽類。本實驗將合成分子式為 KAl(SO₄)₂·12H₂O 的明礬，在結晶結構中明礬其中 6 個結晶水分子與 Al³⁺ 緊密結合，其餘 6 個與 SO₄²⁻ 及 K⁺ 形成較弱的連結。

本實驗的反應方程式如下：

1. 鋁與 KOH 反應

2 Al(s) + 2 KOH(aq) + 6 H₂O(l) → 2 Al(OH)₄⁻(aq) + 2 K⁺(aq) + H₂(g)

2. 加入 H₂SO₄ 反應

Al(OH)₄⁻(aq) + H⁺(aq) → Al(OH)₃(s) + H₂O(l)

Al(OH)₃(s) + 3 H⁺(aq) → Al³⁺(aq) + 3 H₂O(l)

3. 形成明礬沈澱

K⁺(aq) + Al³⁺(aq) + 2 SO₄^2-(aq) + 12 H₂O(l) → KAl(SO₄)₂·12H₂O(s)

三、器材及藥品

器材：

10、100 mL 量筒、250 mL 燒杯、玻棒、減壓過濾裝置

藥品：

廢棄鋁罐（自備）、1.4 M KOH、9 M H₂SO₄、乙醇

實驗安全注意事項

強酸、強鹼請具腐蝕性，如不慎接觸皮膚需以大量清水沖洗

四、實驗步驟

1. 將鋁罐裁剪成約 5 cm × 7.5 cm 大小，用砂紙磨去表面的顏料與塑膠內膜（勿於實驗桌上操作），再剪成約 0.5 cm × 0.5 cm 的小片，稱重取約 1 g。

2. 將鋁片置於 250 mL 燒杯中，加入 50 mL 1.4 M KOH 溶液，緩慢加熱以加速反應。此反應為放熱反應並會產生氫氣，需小心操作。

3. 觀察鋁片在反應中的升降現象並解釋其可能原因。適時補充水避免溶液低於原先 1/2。反應中溶液可能由無色轉為深灰色，此為殘餘之顏料或塑膠內膜分解所致。當氫氣不再產生時，反應即告完成。

4. 以重力過濾法過濾熱溶液，收集濾液於 250 mL 燒杯中，待其冷卻至室溫。

5. 攪拌濾液並緩慢加入 20 mL 之 9 M 硫酸，觀察溶液變化。若硫酸全部加入並攪拌數分鐘後白色沈澱無法完全溶解，可加熱以加速反應。若仍有沈澱殘留可過濾去除之。

6. 冰浴溶液 15 分鐘，使明礬結晶析出。若結晶不易析出可用玻棒輕刮燒杯杯壁，或投入小粒明礬結晶作為晶種。

7. 用已稱重的濾紙進行減壓過濾收集產物，以乙醇/水（1/1）溶液作為洗液，清洗沉澱以少量多次為原則，將產物平鋪於濾紙上，抽濾約 3-5 分鐘使產物乾燥後稱重，並計算粗產率。

8. 廢棄物分類回收：

   • 酸性、鹼性水溶液廢液 → 分別收集於無機–鹼性水溶液、無機–酸性水溶液

   • 明礬固體 → 講桌明礬收集桶

五、實驗結果

六、問題與討論

1. 如何確知產物是否完全乾燥？

2. 為何使用乙醇溶液清洗產物？是否會把明礬結晶再度溶解？

3. 查閱安全資料表，嘗試計算以判斷本實驗中產生的氫氣量和濃度是否會構成危險。

4. 為何本實驗不使用酸而使用氫氧化鉀來氧化鋁金屬？