UA-119493607-1 テルミット反応 | らくらく理科教室
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アルミニウムが酸化鉄を還元して単体鉄が生成します。酸化還元反応で扱うことが多いですが、強い光と大量の熱が発生するのが特徴です。

実験プリント版

「表 題」ダイナミックな酸化還元反応_テルミット反応

「サブタイトル」テルミット反応・教えてテルミー

「目 的」アルミニウムと酸化鉄を反応させることで、激しい酸化還元反応が起こり、単体鉄が生成することを確認する。

「実験理論」

酸化還元反応:酸化鉄(Ⅲ)Fe2O3とアルミニウムAlの反応は、次のような化学反応式で表すことができる。

2Al + Fe2O3 → Al2O+ 2Fe_⓪

この反応は酸化還元反応であり、実質的な電子のやりとりに着目すると、アルミニウムが電子を3個放出して酸化される。

Al → Al3+ + [3e ]…①

酸化鉄(Ⅲ)Fe2O3の鉄原子が電子を受け単体の鉄Feに還元される。

Fe3+ + 3e → [Fe  ] …②

①+②によって[e ] を消去すると、

Al + Fe3+ → Al3+ + Fe_③

実際には、Fe3+は酸化鉄(Ⅲ)Fe2O3となっているので、③を2倍し、両辺にO32-を加えてる。

テルミット反応:まばゆい光を発し高熱になり一気に反応が進行する。還元されて生成した鉄が真っ赤などろっとした固まりとなって落ちてくるというダイナミックな化学変化である。単体鉄は、磁石に付くので取り分けることができる。この鉄は、ほぼ純鉄と考えてよく、黒光りしていてきれいであり、ずっしりとした重量感もある。また、大量の熱を発生することからテルミット[溶接  ]として、かつては鉄道のレールを溶接などにも多用された。軍事目的において焼夷弾にも使われたとも言われている。この反応における反応熱(酸化アルミニウムの[生成  ]熱)は、熱化学方程式により算出することができる。アルミニウムと酸化鉄の生成熱は次のとおりである。

Al + 3/4O2 = 1/2Al2O3 + 838kJ ・・・①

2Fe + 3/2O2 = Fe2O3 + 824kJ ・・・②

  • ×2-②により

2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe + [852 ]kJ

この852kJ/molが酸化アルミニウムの生成熱である。

「準 備」「操 作」web非公開

「工夫と注意・片付けなど」

  • 粉末が飛び散るので、実験用具容器等は遠ざけておく。
  • 試料の残りカスは金属ゴミとして回収。
  • 金属粉末はサビとして残ることがあるので、ていねいに水ぶきする。

「観察・結果」

  • 実験装置図
    • 水で濡らした新聞紙を敷く理由
    • キッチンペーパーを用いる理由
    • 混合試薬を小山にする理由
    • マグネシウムリボンや硝酸カリウムを用いる理由
  • 点火時と反応の様子
  • ビーカーの底に生成した物質について
    • その様子
  • 磁石で集めた鉄塊の様子
  • 鉄塊の質量 m

「考 察」

  • アルミニウムと酸化鉄(Ⅲ) Fe2O3 の化学反応について
  • 化学反応式で表しなさい。また、各物質の各原子の下に酸化数を書きこむこと。さらに、電子の受け渡しがどのように行われたかわかるように原子から原子に矢印を引きなさい。酸化数が増える反応と減る反応は、色分けすること。
  • 酸化剤・還元剤をそれぞれ指摘して色分けしなさい。
  • 酸化鉄(Ⅲ) Fe2O3 0gに対し、アルミニウムをやや過剰に用いたとして答えなさい。
  • 用いた酸化鉄(Ⅲ) Fe2O3 の物質量nFe2O3 を求めなさい。
  • すべての酸化鉄が完全に反応して鉄が生成したと考え、理論的に生成する鉄の物質量nFeを求めなさい。
  • さらにその鉄 Fe の質量 mFe をを求めなさい。
  • 実験後、磁石を使って回収した鉄Feの質量 m (3.③)から、この反応の鉄Feの収量効率%を求めなさい。(有効数値2ケタ)

化学基礎実験_実験NOTE

「表 題」

ダイナミックな酸化還元反応_テルミット反応

「目 的」

アルミニウムと酸化鉄を反応させることで、激しい酸化還元反応が起こり、単体鉄が生成することを確認する。

「実験理論」

  • 酸化還元反応:酸化鉄(Ⅲ)Fe2O3とアルミニウムAlの反応は、次のような化学反応式で表すことができる。

2Al + Fe2O3 → Al2O+ 2Fe_⓪

この反応は酸化還元反応であり、実質的な電子のやりとりに着目すると、アルミニウムが電子を3個放出して酸化される。

Al → Al3+ + [3e ]…①

酸化鉄(Ⅲ)Fe2O3の鉄原子が電子を受け単体の鉄Feに還元される。

Fe3+ + 3e → [Fe  ] …②

  • +②によって[e ] を消去すると、

Al + Fe3+ → Al3+ + Fe_③

実際には、Fe3+は酸化鉄(Ⅲ)Fe2O3となっているので、③を2倍し、両辺にO32-を加えてる。

  • テルミット反応:まばゆい光を発し高熱になり一気に反応が進行する。還元されて生成した鉄が真っ赤などろっとした固まりとなって落ちてくるというダイナミックな化学変化である。単体鉄は、磁石に付くので取り分けることができる。この鉄は、ほぼ純鉄と考えてよく、黒光りしていてきれいであり、ずっしりとした重量感もある。また、大量の熱を発生することからテルミット[溶接  ]として、かつては鉄道のレールを溶接などにも多用された。軍事目的において焼夷弾にも使われたとも言われている。この反応における反応熱(酸化アルミニウムの[生成  ]熱)は、熱化学方程式により算出することができる。アルミニウムと酸化鉄の生成熱は次のとおりである。

Al + 3/4O2 = 1/2Al2O3 + 838kJ ・・・①

2Fe + 3/2O2 = Fe2O3 + 824kJ ・・・②

  • ×2-②により

2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe + [852 ]kJ

この852kJ/molが酸化アルミニウムの生成熱である。

「準 備」

新聞紙 500mLビーカー キッチンペーパー2枚 ろ紙2枚 型抜き 三角架 三脚 紙コップ アルミニウムAl粉末2.2g 酸化鉄(Ⅲ) Fe2O3 6.0g ハサミ マグネシウムリボン5㎝ ライター 硝酸カリウム(薬さじ大半分程度) 磁石 電子天秤

「操 作」

  • 机上全面を新聞紙で覆い、十分に水で濡らしておく。(机上の荷物は遠ざけておく)
  • 500mLビーカーを水で満たし、中ほどにキッチンペーパー2枚を固定する。
  • ろ紙2枚を指示通りに重ね、少し湿らせて型抜きにセット、三角架と三脚に固定する。
  • 紙コップにアルミニウムAl粉末2gと酸化鉄(Ⅲ) Fe2O3 6.0gを秤量し、よく混ぜ合わせておく。
  • ろ紙上にアルミニウムと酸化鉄の混合試薬を小山ができるように入れる。山の頂点にハサミで切れ目を入れて下向きに折り曲げたマグネシウムリボンを深く差し込んで立てる。さらに、少量の硝酸カリウム(薬さじ大半分程度:薬包紙)をマグネシウムリボンを差し込んだ周囲にまく。
  • 周囲に注意しながらライターで点火する。
  • 反応後、十分に冷えたことを確認してから、生成物を取り出す。新聞紙に挟み押さえつけて破壊し、磁石で鉄塊を集める。
  • ヤスリなどで鉄塊の周りのスラグを取り除き、質量を測る。

「工夫と注意・片付けなど」

  • 粉末が飛び散るので、実験用具容器等は遠ざけておく。
  • 試料の残りカスは金属ゴミとして回収。
  • 金属粉末はサビとして残ることがあるので、ていねいに水ぶきする。

「観察・結果」

  • 実験装置図
    • 水で濡らした新聞紙を敷く理由
    • キッチンペーパーを用いる理由
    • 混合試薬を小山にする理由
    • マグネシウムリボンや硝酸カリウムを用いる理由
  • 点火時と反応の様子
  • ビーカーの底に生成した物質について
    • その様子
  • 磁石で集めた鉄塊の様子
  • 鉄塊の質量 m

「考 察」

  • アルミニウムと酸化鉄(Ⅲ) Fe2O3 の化学反応について
  • 化学反応式で表しなさい。また、各物質の各原子の下に酸化数を書きこむこと。さらに、電子の受け渡しがどのように行われたかわかるように原子から原子に矢印を引きなさい。酸化数が増える反応と減る反応は、色分けすること。
  • 酸化剤・還元剤をそれぞれ指摘して色分けしなさい。
  • 酸化鉄(Ⅲ) Fe2O3 0gに対し、アルミニウムをやや過剰に用いたとして答えなさい。
  • 用いた酸化鉄(Ⅲ) Fe2O3 の物質量nFe2O3 を求めなさい。
  • すべての酸化鉄が完全に反応して鉄が生成したと考え、理論的に生成する鉄の物質量nFeを求めなさい。
  • さらにその鉄 Fe の質量 mFe をを求めなさい。
  • 実験後、磁石を使って回収した鉄Feの質量 m (3.③)から、この反応の鉄Feの収量効率%を求めなさい。(有効数値2ケタ)

◇このブログで発信する情報は、取扱いに注意を要する内容を含んでおり、実験材料・操作、解説の一部を非公開にしてあります。操作に一定のスキル・環境を要しますので、記事や映像を見ただけで実験を行うことは絶対にしないで下さい。詳細は、次の3書(管理者の単著作物)でも扱っているものがありますので参考になさってください。


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