鈉燃燒實(shí)驗(yàn)系列問(wèn)題的探究

鄭少綿+陳裕森+陳國(guó)良+林珩

摘要：為提高鈉在空氣中燃燒的最佳觀看效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，對(duì)其燃燒過(guò)程生成物呈現(xiàn)的顏色變化進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)探究，得出鈉在空氣中燃燒過(guò)程存在Na2O2與NaO2的轉(zhuǎn)化且Na2O2顏色為白色的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：鈉燃燒現(xiàn)象；NaO2；Na2O2；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2017）6–00079–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 研究目的

鈉在空氣中的燃燒是高中化學(xué)中對(duì)堿金屬性質(zhì)認(rèn)識(shí)的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，本文從鈉燃燒過(guò)程的最佳觀賞效果角度出發(fā)，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得出最佳實(shí)驗(yàn)方案。雖然已有人對(duì)過(guò)氧化鈉的顏色進(jìn)行過(guò)研究，但是還沒(méi)有以鈉燃燒實(shí)驗(yàn)整體為對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)探究并總結(jié)的。為此，本文結(jié)合已有文獻(xiàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)的探究，對(duì)鈉燃燒過(guò)程的顏色變化做一個(gè)比較系統(tǒng)的討論和總結(jié)。

2 研究現(xiàn)狀

以“鈉的燃燒”為關(guān)鍵詞，從知網(wǎng)搜查由1980年至今的相關(guān)文獻(xiàn)，得出對(duì)鈉的燃燒實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和燃燒過(guò)程的問(wèn)題進(jìn)行探討的文獻(xiàn)共有42篇，根據(jù)研究角度的不同，對(duì)所有文獻(xiàn)提供的探究信息分類如表1所示。

由表1可以看出從觀察角度和為得到更多淡黃色產(chǎn)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的研究者居多；對(duì)燃燒過(guò)程出現(xiàn)的黑色物質(zhì)進(jìn)行研究改進(jìn)的也不少，主要是以煤油和空氣中的CO2的影響為出發(fā)點(diǎn)；對(duì)產(chǎn)物顏色變化進(jìn)行探討并系統(tǒng)研究的則鳳毛麟角，且都為高校研究者，文章發(fā)表時(shí)間也為最近這幾年，說(shuō)明近幾年學(xué)界中對(duì)鈉的燃燒產(chǎn)物顏色變化的問(wèn)題研究不再局限于實(shí)驗(yàn)外界環(huán)境，開(kāi)始從內(nèi)部原因進(jìn)行探究，這也使得我們離鈉的燃燒產(chǎn)物顏色變化的這一實(shí)驗(yàn)謎題的真相越來(lái)越近。本文從觀察最佳效果的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)出發(fā)，相對(duì)系統(tǒng)和完整地對(duì)鈉燃燒實(shí)驗(yàn)問(wèn)題進(jìn)行系列的實(shí)驗(yàn)探究。

3 藥品和儀器

金屬鈉塊、MnO2粉末、H2O2溶液、濃硫酸、工業(yè)Na2O2粉末、高硼硅耐高溫培養(yǎng)皿（90mm）、厚2mm鋁片、小刀、玻璃片、鑷子、濾紙、酒精燈、火柴、三腳架、坩堝鉗、硬質(zhì)玻璃通管、分液漏斗、大試管、玻璃導(dǎo)管、橡膠塞、集氣瓶、燒杯、坩堝、泥三角

4 最佳效果實(shí)驗(yàn)

通過(guò)查閱文獻(xiàn)和多次實(shí)驗(yàn)后，筆者得出實(shí)驗(yàn)效果最佳的方案為以培養(yǎng)皿為燃燒皿，在鋁塊上進(jìn)行鈉的燃燒。

4.1 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，點(diǎn)燃酒精燈，將2mm厚的鋁片在酒精燈上先加熱10s，接著放于培養(yǎng)皿上，并預(yù)熱，切取黃豆大小金屬鈉塊（擦干鈉塊表面煤油并切除表面氧化層后）放在培養(yǎng)皿上鋁片（鋁片起隔熱防止培養(yǎng)皿炸裂的作用）正中間。從培養(yǎng)皿邊沿就可以觀察到鈉很快熔化成半球狀，約4s后半球面變黑，20s后開(kāi)始冒火星，并迅速劇烈燃燒起來(lái)，這一過(guò)程中產(chǎn)物迅速由黑色轉(zhuǎn)化為棕色最后為黃色的珊瑚狀固體，最后黃色固體變成帶有少許黃色的白色固體。

4.2 實(shí)驗(yàn)分析及疑問(wèn)

該實(shí)驗(yàn)改進(jìn)之處是用高硼硅耐高溫培養(yǎng)皿和2mm厚的鋁片來(lái)進(jìn)行鈉的燃燒，原因?yàn)椋孩儆捎谂囵B(yǎng)皿是透明玻璃材質(zhì)，學(xué)生觀看實(shí)驗(yàn)過(guò)程視覺(jué)效果好，如圖1所示；②不直接將鈉放在培養(yǎng)皿上燃燒而是加了2mm厚的鋁片，目的是解決鈉燃燒過(guò)程局部溫度過(guò)高使培養(yǎng)皿炸裂的問(wèn)題；③避免培養(yǎng)皿與鈉直接接觸反應(yīng)，降低雜質(zhì)影響，使得燃燒產(chǎn)物效果更好。

筆者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的疑問(wèn)：①鈉的燃燒產(chǎn)物為何是呈現(xiàn)黑色、棕色到黃色的顏色變化；②黃色固體最后為何變成白色。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的疑問(wèn)進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)查閱：較多文獻(xiàn)將鈉燃燒過(guò)程產(chǎn)生的黑色物質(zhì)歸結(jié)為鈉表面殘留的煤油燃燒或高溫下鈉與空氣中的CO2反應(yīng)置換出C，而將最后的淡黃色固體轉(zhuǎn)變成白色固體則大多解釋為Na2O2與空氣中的CO2反應(yīng)生成了Na2CO3。朱心奇、范廣、李俊生等對(duì)Na2O2的顏色進(jìn)行了探究，認(rèn)為過(guò)氧化鈉在不同溫度下呈現(xiàn)不同顏色，白色狀態(tài)是過(guò)氧化鈉的最穩(wěn)態(tài)[1～3]。

5 鈉的燃燒過(guò)程顏色變化的實(shí)驗(yàn)探究

為了探討鈉在空氣中燃燒產(chǎn)物呈現(xiàn)黑色、棕色到黃色的顏色變化的原因，筆者進(jìn)行了鈉在純氧下燃燒的實(shí)驗(yàn)。

5.1 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。切取綠豆大小鈉塊（擦干鈉塊表面煤油并切除表面氧化層后），置于通管的鋁片（鋁片起隔熱防止通管炸裂的作用）上，啟動(dòng)氧氣的制取裝置經(jīng)濃硫酸干燥后，進(jìn)入通管，排盡裝置的空氣，用酒精燈加熱墊有鋁片處的通管（整個(gè)過(guò)程氧氣制取一直進(jìn)行著，通滿整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置）。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：鈉很快熔化成半球狀，約65s后半球面變黃，接著從黃色平面的中心開(kāi)始變黑，冒火星，并迅速劇烈燃燒起來(lái)，少量黑色熔融狀物質(zhì)溢出鋁片平面，流到玻璃管壁，同時(shí)很快由黑變棕色，再變黃，也很快變成略帶黃色的白色固體；而鋁片上的產(chǎn)物也迅速由黑色轉(zhuǎn)化為棕色接著變?yōu)辄S色的珊瑚狀固體，最后黃色固體變成帶有少許黃色的白色固體，鋁片上產(chǎn)物顏色變化的時(shí)間比流到玻璃管壁上的產(chǎn)物長(zhǎng)。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

觀察鈉的燃燒過(guò)程，黑色物質(zhì)是先從中心溫度最高處產(chǎn)生，再擴(kuò)散到邊緣，且由于鈉塊較大，使熔融狀產(chǎn)物流到玻璃壁上這一實(shí)驗(yàn)“事故”，反而有了一個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)。說(shuō)明溫度是影響鈉的燃燒產(chǎn)物顏色變化的主要原因。即在同一條件下，玻璃壁的溫度較鋁塊的溫度低，因此產(chǎn)物由黑色、棕色、黃色再到白色這一顏色變化過(guò)程快。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)筆者認(rèn)為可以得到以下結(jié)論：

（1）“黑色物質(zhì)是殘留的煤油燃燒不充分引起的”結(jié)論不成立。原因有三點(diǎn)：①由于已經(jīng)擦干鈉表面的煤油并切除鈉表面氧化層，所以燃燒的鈉表面的煤油影響基本可忽略；②通過(guò)計(jì)算得出金屬鈉的原子間間隙為0.85A9，煤油分子約為0.18A9

，考慮到金屬原子間有間隙，煤油分子可進(jìn)入間隙中這一原因，筆者通過(guò)查閱資料得煤油燃點(diǎn)為180～310℃，鈉燃燒時(shí)溫度為500～1000℃，所以當(dāng)鈉燃燒時(shí)，煤油早已燃盡或揮發(fā)；③當(dāng)煤油燃燒不充分時(shí)會(huì)產(chǎn)生黑煙即炭黑，但是本實(shí)驗(yàn)為純氧環(huán)境下，全程只產(chǎn)生白煙并無(wú)黑煙，所以“黑色物質(zhì)是殘留煤油燃燒不充分引起的”假設(shè)不成立。

6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

觀察過(guò)氧化鈉高溫受熱過(guò)程，顏色逐漸加深，接著從中間部分變淺棕色和趨向黑色液態(tài)狀物質(zhì)，這和鈉燃燒的顏色變化幾乎是個(gè)相反的過(guò)程，發(fā)生了如下反應(yīng)：

7 對(duì)鈉燃燒實(shí)驗(yàn)系列問(wèn)題探究對(duì)中學(xué)化學(xué)教學(xué)的意義

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，教師在形成實(shí)驗(yàn)結(jié)論時(shí)必須科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，不應(yīng)人云亦云。對(duì)鈉燃燒產(chǎn)物，許多教師對(duì)于淡黃色固體后期變?yōu)榘咨腆w的問(wèn)題解釋含糊不清，同時(shí)為追求質(zhì)量高的鈉燃燒產(chǎn)物——淡黃色固體而付出很多無(wú)用功。這就要求廣大中學(xué)化學(xué)教師應(yīng)努力提高自己的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)研究能力，對(duì)中學(xué)教材的研究應(yīng)該與科研實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，不應(yīng)局限于中學(xué)課本。對(duì)鈉燃燒實(shí)驗(yàn)系列問(wèn)題的探究正是一個(gè)能豐富教師專業(yè)知識(shí)和提高教師研究能力的很好案例，中學(xué)教師應(yīng)該具有勇于挑戰(zhàn)教材中存在爭(zhēng)議的內(nèi)容的精神。同時(shí)對(duì)鈉燃燒實(shí)驗(yàn)系列問(wèn)題探究過(guò)程及結(jié)果也能讓中學(xué)化學(xué)教師根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)和實(shí)際情況進(jìn)行有針對(duì)性的教學(xué)設(shè)計(jì)，這一過(guò)程不僅為解決學(xué)生的疑難問(wèn)題提供比較科學(xué)準(zhǔn)確的素材，也能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)、對(duì)科學(xué)應(yīng)秉持大膽猜測(cè)小心論證的思維方式，是一個(gè)能有效提高學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的不錯(cuò)案例。同時(shí)，由于將要重新改編課標(biāo)，所以建議在編寫教材時(shí)應(yīng)將這一類學(xué)術(shù)性錯(cuò)誤予以糾正，有利于廣大中學(xué)教師更好地進(jìn)行教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

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