金屬鈉燃燒實(shí)驗(yàn)的顯性化改進(jìn)

王海麗++王世存

1改進(jìn)緣由

日前，筆者參加了一節(jié)高中化學(xué)“金屬的化學(xué)性質(zhì)”公開(kāi)課，教師在課堂上給學(xué)生講解鈉時(shí)，演示了鈉在空氣中燃燒的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)教師問(wèn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，大部分回答的學(xué)生說(shuō)看到石棉網(wǎng)上有黑色物質(zhì)生成，幾乎看不到淡黃色的Na2O2，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)是化學(xué)學(xué)科的重要特征之一，化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有著極為重要的作用，其中提到化學(xué)教學(xué)中要重視通過(guò)典型的化學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的本質(zhì)和規(guī)律來(lái)發(fā)揮實(shí)驗(yàn)功能”。這引發(fā)了課題組對(duì)該實(shí)驗(yàn)顯性化改進(jìn)的動(dòng)機(jī)。經(jīng)過(guò)查閱資料分析得出，黑色物質(zhì)的來(lái)源主要有以下5種。

（1）石棉網(wǎng)加熱會(huì)起到干擾作用。

（2）鈉表面附著少許煤油，煤油的不完全燃燒生成的碳。

（3）空氣中的二氧化碳和金屬鈉反應(yīng)生成碳。

（4）酒精燈中的酒精不完全燃燒。

（5）金屬鈉中有雜質(zhì)，雜質(zhì)可能參與反應(yīng)。

2改進(jìn)方法

那么怎樣才能讓“鈉在空氣中燃燒”這演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象準(zhǔn)確地展現(xiàn)在學(xué)生面前呢？由于教師的演示實(shí)驗(yàn)反應(yīng)在敞開(kāi)的體系中進(jìn)行，不方便控制反應(yīng)且反應(yīng)速度太快，所以課題組主要進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。

（1）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)選擇制取氧氣

首先空氣中氧氣的濃度難以改變，如果按照教材實(shí)驗(yàn)反應(yīng)在坩堝中進(jìn)行，不好控制反應(yīng)速率，實(shí)驗(yàn)過(guò)程冒白煙，不符合綠色化學(xué)的思想，而且課題組查資料發(fā)現(xiàn)鈉的燃燒產(chǎn)物與氧氣的濃度有很大的關(guān)系，所以想到在本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始去制取氧氣。首先排除了用高錳酸鉀制氧氣，因?yàn)橹迫〉荣|(zhì)量的氧氣所需的高錳酸鉀質(zhì)量比較多，原料利用率低，而且需要加熱，消耗熱能。本實(shí)驗(yàn)采用雙氧水和二氧化錳固液反應(yīng)制取氧氣，不僅不需要加熱，操作簡(jiǎn)單安全，而且可以隨時(shí)控制反應(yīng)的發(fā)生。

（2）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)選取透明玻璃管

選擇透明玻璃管，而不是用石棉網(wǎng)或坩堝，因?yàn)槭蘧W(wǎng)會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，坩堝壁不透明遮蓋住了鈉加熱熔成光亮的白色小球及其燃燒現(xiàn)象，不易讓學(xué)生觀察到金屬鈉從熔化到燃燒的具體變化過(guò)程。

（3）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)選取凹形玻璃片

凹形玻璃片用于盛放金屬鈉，以防鈉在熔融時(shí)溫度過(guò)高使玻璃管炸裂。

（4）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)選擇鈉燃燒結(jié)束之后，繼續(xù)加熱

因?yàn)閯傞_(kāi)始加熱，煤油揮發(fā)會(huì)帶走玻璃管內(nèi)一部分氧氣，導(dǎo)致玻璃管內(nèi)氧氣濃度明顯偏低，鈉很難燃燒，所以等加熱一定時(shí)間后，課題組選擇再繼續(xù)通入一段時(shí)間的氧氣，實(shí)驗(yàn)中就不會(huì)出現(xiàn)殘留的煤油因不完全燃燒生成的碳帶來(lái)的干擾，也就是消除了黑色物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的直接干擾。

（5）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)選擇玻璃管的尾部用橡皮繩扎一個(gè)氣球。

目的是收集反應(yīng)中生成的白煙，貫徹綠色化學(xué)的思想。

3改進(jìn)設(shè)計(jì)

改進(jìn)目的：讓鈉在空氣中最終燃燒生成淡黃色的固體。

改進(jìn)原理：增大氧氣濃度，杜絕二氧化碳和鈉接觸。

實(shí)驗(yàn)儀器：鐵架臺(tái)、酒精燈、分液漏斗、圓底燒瓶、單孔塞、導(dǎo)管、凹形玻璃片、透明玻璃管、氣球、橡皮繩、濾紙、鑷子、藥匙、洗氣瓶等。

實(shí)驗(yàn)藥品：雙氧水、二氧化錳、濃硫酸、綠豆大小的鈉等。

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下。

（1）檢查裝置氣密性。

（2）先用藥匙把二氧化錳放入錐形瓶底部，過(guò)氧化氫溶液加入分液漏斗中。

（3）用鑷子取1塊綠豆大小的金屬鈉，鈉塊應(yīng)該用濾紙吸干表面煤油，并用小刀切除表面氧化膜。再用鑷子夾住放入透明玻璃管的凹形玻璃片上。

（4）打開(kāi)分液漏斗旋塞，將過(guò)氧化氫加入二氧化錳中產(chǎn)生氧氣持續(xù)通氧氣一段時(shí)間。

（5）用酒精燈給透明玻璃管加熱，當(dāng)鈉熔成小球并開(kāi)始劇烈燃燒時(shí)停止加熱。

（6）再次打開(kāi)分液漏斗旋塞，繼續(xù)通入一段時(shí)間的氧氣。

（7）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，清洗儀器。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：鈉熔成小球，劇烈燃燒，透明的玻璃管出現(xiàn)淡黃色的固體，沒(méi)有黑色物質(zhì)生成。

4改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

操作簡(jiǎn)單，提高實(shí)驗(yàn)技能，淡黃色的Na2O2實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中貫徹綠色化學(xué)思想，讓學(xué)生體會(huì)用自己學(xué)過(guò)的知識(shí)來(lái)改進(jìn)課本實(shí)驗(yàn)，不僅僅在知識(shí)技能、過(guò)程與方法方面得到提升，而且在情感態(tài)度價(jià)值觀方面受到了感染。

5注意事項(xiàng)

（1）舍棄原來(lái)實(shí)驗(yàn)用的石棉網(wǎng)，避免影響產(chǎn)物的觀察效果。

（2）鈉燃燒之后需要繼續(xù)通入一段時(shí)間的氧氣，消除了殘留的煤油因不完全燃燒生成的碳帶來(lái)的干擾，也就是消除了黑色物質(zhì)的干擾。

（3）應(yīng)用透明玻璃管的凹形玻璃片，阻止局部溫度過(guò)高導(dǎo)致玻璃管炸裂的可能性。

6總結(jié)

通過(guò)此實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，可以使教師明白演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象必須準(zhǔn)確無(wú)誤地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的教學(xué)效果。而且通過(guò)課題組的討論，發(fā)現(xiàn)此實(shí)驗(yàn)完全可以作為一個(gè)學(xué)生的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己提出實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)黑色物質(zhì)的可能性，學(xué)生分組討論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最后得出結(jié)論比教師做演示實(shí)驗(yàn)的效果要更好，而且能達(dá)到《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的“讓學(xué)生進(jìn)一步體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的基本方法，加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)額科學(xué)態(tài)度”的要求。