鈉與二氧化碳燃燒反應(yīng)趣味實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

熊健+李偉+白志勇+周勇

摘要：以鈉作實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)了不同條件下與二氧化碳?xì)怏w發(fā)生燃燒反應(yīng)的趣味實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)了不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并對(duì)燃燒后的產(chǎn)物進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，鈉與二氧化碳?xì)怏w發(fā)生燃燒現(xiàn)象的原因，發(fā)現(xiàn)二氧化碳的量對(duì)燃燒后的產(chǎn)物并無(wú)明顯影響。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)效果令人滿意。

關(guān)鍵詞：鈉；二氧化碳；燃燒現(xiàn)象；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；對(duì)比實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1005–6629（2017）4–0074–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

金屬鈉的燃燒實(shí)驗(yàn)在不同教材中都有所涉及[1，2]，是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，但實(shí)驗(yàn)主要研究的方向集中在鈉與空氣、氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)[3]，對(duì)于鈉與二氧化碳是否發(fā)生燃燒反應(yīng)、反應(yīng)條件、燃燒的現(xiàn)象以及反應(yīng)后的產(chǎn)物是什么，在中學(xué)教材中并未作介紹、說(shuō)明，與之相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道也較少，而恰恰這些疑問(wèn)點(diǎn)會(huì)激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)與其有相似性質(zhì)的金屬鎂與二氧化碳的燃燒反應(yīng)常常作為課堂的演示實(shí)驗(yàn)以及在不同的化學(xué)測(cè)試題中作為考點(diǎn)出現(xiàn)而被學(xué)生所熟知，有學(xué)生提出對(duì)于金屬性更強(qiáng)的鈉能否有同樣現(xiàn)象發(fā)生？于此，筆者和學(xué)生結(jié)合楊海麗老師的“鈉與二氧化碳反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究”[4]一文，進(jìn)行了如下的課外實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了不一樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用品

器材：鐵架臺(tái)、分液漏斗、抽濾瓶（250mL）、硬質(zhì)試管、酒精燈等

試劑：金屬鈉、氫氧化鈣、無(wú)水碳酸鈉、稀硫酸（1mol/L）、二次蒸餾水等

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 鈉與干燥純凈的二氧化碳反應(yīng)

（1）按裝置圖1組裝儀器，抽濾瓶a中加入5%碳酸鈉水溶液，分液漏斗中加入稀硫酸（1mol/L）。檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性。將分液漏斗活塞打開(kāi)，稀硫酸緩慢滴入碳酸鈉溶液中，開(kāi)始制備CO2氣體。氣體通過(guò)干燥劑氯化鈣b，最后通入 d中澄清石灰水，一段時(shí)間后石灰水溶液變渾濁。

（2）將現(xiàn)切好的鈉塊（長(zhǎng)約1cm、寬約0.2cm），用濾紙吸干表面煤油，迅速投入硬質(zhì)試管c中。繼續(xù)通入CO2氣體，用酒精燈對(duì)試管底部持續(xù)均勻加熱，鈉塊緩慢融化成小黑球，有少量的白煙產(chǎn)生，未出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。

（3）按裝置圖2組裝儀器，并檢查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性，用向上排空氣法收集CO2氣體于一集氣瓶c中。在燃燒匙中將現(xiàn)切好的小鈉塊點(diǎn)燃，迅速置于集氣瓶底部，繼續(xù)通入CO2氣體，加玻璃蓋，火焰慢慢熄滅，未觀察到燃燒現(xiàn)象。

通過(guò)以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，鈉不管是在小空間的試管內(nèi)，還是經(jīng)點(diǎn)燃后置于空間稍大的集氣瓶中只能與干燥純凈的CO2發(fā)生緩慢的化學(xué)反應(yīng)，均觀察不到燃燒現(xiàn)象，說(shuō)明鈉是否發(fā)生燃燒現(xiàn)象與CO2量的多少無(wú)關(guān)。鑒于此，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置稍作改進(jìn)后再做實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 試管中鈉與未經(jīng)干燥處理的CO2氣體的燃燒反應(yīng)

（1）按裝置圖1組裝儀器，將干燥劑氯化鈣取出，并檢查裝置氣密性，將分液漏斗的活塞打開(kāi)，控制稀硫酸滴速約為每秒1滴，與容器中碳酸鈉反應(yīng)開(kāi)始制備CO2氣體。將氣體通入配制好的澄清石灰水d處，一段時(shí)間后石灰水溶液變渾濁。

（2）將現(xiàn)切好的鈉塊（長(zhǎng)約1cm、寬約0.2cm），用濾紙吸干表面煤油，迅速投入硬質(zhì)試管c中，并塞緊橡膠塞，繼續(xù)通入CO2，用酒精燈對(duì)試管底部均勻加熱，鈉塊開(kāi)始融化，約半分鐘后有紅黃色的火光產(chǎn)生并伴有白煙生成。約1分鐘后，反應(yīng)完成，燃燒現(xiàn)象明顯，見(jiàn)圖3（a）。

（3）反應(yīng)結(jié)束后觀察試管壁上有白色的附著物，將其用藥匙刮下，投入裝有少量蒸餾水的燒杯中能發(fā)出“嘶嘶”的響聲，然后在該燒杯溶液中滴加一滴酚酞后，觀察到溶液變紅，推測(cè)試管壁的白色附著物可能是由于在燃燒的過(guò)程中鈉氣化附著在管壁形成。支管底部有黑色固體和白色固體產(chǎn)生，加入少量的稀硫酸后，可發(fā)現(xiàn)黑色固體不溶，而白色固體則很快溶解，并產(chǎn)生氣體，能使澄清石灰水變渾濁，推測(cè)白色固體生成物主要成分為碳酸鈉，黑色不溶固體為碳。發(fā)生的主要反應(yīng)為：4Na+3CO2=2Na2CO3+C[4]。

1.2.3 集氣瓶中鈉與未經(jīng)干燥處理的CO2氣體的燃燒反應(yīng)

（1）按裝置圖2組裝儀器，將干燥劑氯化鈣取出，并檢查裝置氣密性，將分液漏斗活塞打開(kāi)，控制液體滴速約為每秒1滴，稀硫酸逐滴加入到碳酸鈉水溶液中，開(kāi)始制備CO2氣體，利用向上排空氣法在集氣瓶中收集滿CO2氣體。約2～3分鐘后在燃燒匙中將鈉塊點(diǎn)燃，迅速置于集氣瓶底部，繼續(xù)通入CO2氣體，加玻璃蓋，鈉塊可繼續(xù)燃燒，但燃燒反應(yīng)的劇烈程度要比在空氣中小。由于鈉在空氣中的燃燒反應(yīng)速率過(guò)快，不易控制，故先將空燃燒匙在酒精燈上加熱2～3分鐘，迅速將其伸入集氣瓶底部同時(shí)將現(xiàn)切好的鈉塊（長(zhǎng)約為1cm、寬約為0.2cm）用濾紙吸干表面煤油后投到燃燒匙上，加玻璃蓋，觀察到鈉塊迅速融化，約2～3s鐘后，出現(xiàn)黃紅色的火光并伴有白煙，燃燒現(xiàn)象明顯，見(jiàn)圖3（b）。待反應(yīng)結(jié)束后，觀察到燃燒匙內(nèi)有白色、黑色的固體混合物。將燃燒后的產(chǎn)物加入到小的硬質(zhì)試管中，再加入適量的稀硫酸可發(fā)現(xiàn)黑色固體不溶，而白色固體則很快溶解，并產(chǎn)生氣體，能使澄清石灰水變渾濁，推測(cè)白色固體生產(chǎn)物主要成分為碳酸鈉，黑色不溶固體為碳。對(duì)反應(yīng)后的產(chǎn)物進(jìn)行初步的檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)1.2.2中的結(jié)果一致，表明CO2量的多少對(duì)燃燒后產(chǎn)物無(wú)明顯影響。

（2）按裝置圖2組裝儀器，制備干燥純凈的CO2氣體，并在c處用集氣瓶收集滿CO2氣體，空燃燒匙用酒精燈加熱2～3分鐘，迅速將其伸入集氣瓶底部，同時(shí)將現(xiàn)切好的鈉塊（長(zhǎng)約為1cm、寬約為0.2cm）用濾紙吸干表面煤油后投到燃燒匙上，繼續(xù)通入CO2氣體，不加玻璃蓋，鈉塊迅速融化有黃紅色的火光并伴有白煙產(chǎn)生，燃燒現(xiàn)象明顯，見(jiàn)圖3（c）。燃燒反應(yīng)完成后，觀察燃燒匙內(nèi)有淡黃色、白色、黑色的固體物質(zhì)，其中淡黃色固體的量最少。此時(shí)單獨(dú)將白色固體小心取出投入到蒸餾水中，有“滋滋”的響聲，pH試紙檢測(cè)水溶液呈堿性；淡黃色固體產(chǎn)物在空氣中約經(jīng)過(guò)半分鐘后慢慢變?yōu)榘咨腆w；將燃燒后的產(chǎn)物投入到硬質(zhì)試管中，加入適量的稀硫酸，觀察白色固體溶解，有氣泡產(chǎn)生，通入澄清石灰水中，石灰水會(huì)變渾濁，而黑色固體不溶。推測(cè)淡黃色固體可能為Na2O2，可能是因?yàn)榇藭r(shí)集氣瓶未加玻璃蓋而混入了少量的空氣與鈉反應(yīng)的產(chǎn)物；白色固體可能為Na2CO3、Na2O的混合物需要實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)；黑色不溶于稀硫酸固體可能是該燃燒反應(yīng)有單質(zhì)碳的生成[5]。

2 小結(jié)與討論

（1）Na與干燥純凈的CO2氣體，用酒精燈加熱時(shí)并不能發(fā)生燃燒反應(yīng)，但會(huì)發(fā)生緩慢的化學(xué)變化，而當(dāng)CO2氣體中混有少量空氣或水蒸氣的時(shí)候能觀察到燃燒現(xiàn)象，可能的原因是少量的水蒸氣或者空氣的O2與Na先反應(yīng)放熱，促使鈉和CO2氣體進(jìn)一步發(fā)生燃燒反應(yīng)，同時(shí)也說(shuō)明Na若與干燥純凈的CO2發(fā)生燃燒現(xiàn)象，可能需要在更高溫度下進(jìn)行，但有待實(shí)驗(yàn)佐證。

（2）實(shí)驗(yàn)選用碳酸鈉的水溶液與稀硫酸反應(yīng)制備CO2氣體，相對(duì)于直接利用碳酸鈉固體制備，產(chǎn)生的氣流更加穩(wěn)定、均勻；在利用方案1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意防止倒吸，發(fā)生危險(xiǎn)，提醒學(xué)生要先將導(dǎo)管移除水面后，再熄滅酒精燈。也可加防倒吸的裝置，防患于未然。

（3）該實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單，燃燒現(xiàn)象明顯，可作為課堂演示和學(xué)生自主探究，但需要教師正確引導(dǎo)學(xué)生，增加學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)的能力。通過(guò)這幾組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了鈉能夠在CO2中燃燒的真正原因，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)告訴學(xué)生像鈉一類的堿金屬著火后絕不能用CO2滅火器進(jìn)行滅火的道理。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社化學(xué)室.全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書·化學(xué)（第一冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社，2003：29.

[2]王祖浩主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1（必修）[M].南京：江蘇教育出版社，2006：49.

[3]譚宗俊，王超文.鈉在空氣中燃燒生成淡黃色過(guò)氧化鈉的最佳操作[J].化學(xué)教育，2010，（2）：35.

[4][5]楊海麗.鈉與二氧化碳反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究[J].化學(xué)教學(xué)，2011，（9）：49～50.