淺析金屬鈉與水全反應(yīng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐佳+吳明

金屬鈉與水反應(yīng)是高中化學(xué)重要實(shí)驗(yàn)之一。高中教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基于教師課堂演示，不利于學(xué)生自己動(dòng)手操作；現(xiàn)有改進(jìn)方案多集中在反應(yīng)容器和對NaOH的驗(yàn)證，沒有涉及對反應(yīng)生成物H2的驗(yàn)證，部分仍存在安全性。受醫(yī)用吊瓶注射器和家用燃?xì)庠铧c(diǎn)火器啟發(fā)，對金屬鈉與水反應(yīng)方案進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，采用通過吊瓶導(dǎo)管和針頭連接的2個(gè)礦泉水瓶作為反應(yīng)容器，不僅能清楚觀察到氣體的生成并對其溶解性進(jìn)行驗(yàn)證，而且可避免空氣和H2混合氣體的生成，提高系統(tǒng)安全性；通過吊瓶導(dǎo)管和針頭將產(chǎn)生的H2在玻璃瓶中通過直流點(diǎn)火器進(jìn)行燃燒，可實(shí)現(xiàn)對鈉與水反應(yīng)生成物的H2的安全驗(yàn)證。新的實(shí)驗(yàn)方案，效果明顯，成功率高，安全可靠，實(shí)驗(yàn)設(shè)備易于獲取，有利于培養(yǎng)同學(xué)們的探究精神。

鈉水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)直流點(diǎn)火器高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)金屬鈉與水反應(yīng)是高中化學(xué)重要實(shí)驗(yàn)之一，但現(xiàn)有高中教材中的鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是基于教師在課堂上進(jìn)行演示，如果要同學(xué)自己動(dòng)手進(jìn)行鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，無論是實(shí)驗(yàn)器材還是安全性以及對反應(yīng)產(chǎn)物驗(yàn)證方面均存在許多問題，因此很多老師和同學(xué)對教材上的鈉與水反應(yīng)方案進(jìn)行了改進(jìn)。但現(xiàn)有改進(jìn)方案多集中在反應(yīng)容器和對NaOH的驗(yàn)證方面，沒有涉及對H2的驗(yàn)證；部分改進(jìn)方案仍然存在產(chǎn)生空氣和H2混合物的可能性，安全問題無法保證；所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備多為實(shí)驗(yàn)室專用儀器，不便于進(jìn)行大規(guī)模實(shí)驗(yàn)和培養(yǎng)大家的動(dòng)手能力。受醫(yī)用廢棄注射器和家用燃?xì)庠铧c(diǎn)火器的啟發(fā)，我對金屬鈉與水反應(yīng)方案進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，不僅可對鈉與水反應(yīng)產(chǎn)物全部進(jìn)行驗(yàn)證，而且提高了實(shí)驗(yàn)安全性和進(jìn)行大規(guī)模實(shí)驗(yàn)的可能性。

一、實(shí)驗(yàn)原理

2Na+2H2O=2NaOH+H2↑

2H2+O2=2H2O

由上述化學(xué)反應(yīng)方程式可知，金屬鈉與水反應(yīng)生成NaOH和H2，NaOH溶于水可通過酚酞溶液驗(yàn)證，H2可通過在空氣中燃燒生成水進(jìn)行驗(yàn)證。

二、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

我的設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案不僅考慮到NaOH的驗(yàn)證，還考慮到H2的驗(yàn)證，而且考慮到實(shí)驗(yàn)的安全性和實(shí)驗(yàn)器材的容易獲取。實(shí)驗(yàn)主要器材均采用現(xiàn)有廢舊物品，如飲料瓶、醫(yī)用注射器及其導(dǎo)管等，便于大量制作，可以使同學(xué)們進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案示意圖如圖1所示。

清涼油盒用于固定金屬鈉，防止其在水中游走，同時(shí)將清涼油盒鉆多個(gè)小孔，用大頭針或細(xì)鐵絲與其連接；兩個(gè)飲料瓶作為鈉與水反應(yīng)的主要容器，分別在底部鉆孔，用塑料膠將注射器管粘牢，確保不漏氣、不漏水，注射器之間用白色透明導(dǎo)管連接，其中一個(gè)飲料瓶放置高于另一個(gè)飲料瓶；選擇一個(gè)合適的軟木塞，將連接清涼油盒的細(xì)鐵絲插入軟木塞，將軟木塞和清涼油盒塞入其中一個(gè)飲料瓶，確保其不漏水、不漏氣；廣口玻璃瓶用于進(jìn)行H2的燃燒試驗(yàn)，口向下，用軟木塞塞入，軟木塞分別插入直流點(diǎn)火器兩電極，電極之間插入注射器針頭，同時(shí)軟木塞還要插入一直管用于空氣的補(bǔ)充和H2燃燒生成的水的流出。

三、實(shí)驗(yàn)用品

1.實(shí)驗(yàn)器材

脈動(dòng)飲料瓶2個(gè)，廣口玻璃瓶1個(gè)，清涼油盒1個(gè)，注射器2支，廢吊瓶導(dǎo)管及針頭2套，塑料膠水，軟木塞3個(gè)，直流點(diǎn)火器及導(dǎo)線若干，鐵絲，夾子，鑷子，濾紙，小刀，小鋼釘，5號電池2節(jié)，鉗子等。

2.實(shí)驗(yàn)藥品

金屬鈉，酚酞溶液，蒸餾水。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1.將2個(gè)飲料瓶分別置于不同高度，其中一個(gè)飲料瓶約高于另一個(gè)飲料瓶50%高度，分別注入蒸餾水，使其中處于低處的飲料瓶中蒸餾水剛好溢出；

2.將酚酞溶液滴入將要放入金屬鈉的飲料瓶中；

3.從煤油中取一小塊金屬鈉，用衛(wèi)生紙吸干其表面煤油，切去表面的氧化膜后立即放入帶孔清涼油盒，快速將與清涼油盒連接的軟木塞塞入裝滿蒸餾水的飲料瓶中；

4.此時(shí)可以看到密閉飲料瓶中水位逐漸下降，另一個(gè)飲料瓶中水位逐漸上升，說明產(chǎn)生大量氣體，待液位下降到低于清涼油盒時(shí)則不再下降，說明反應(yīng)停止；發(fā)現(xiàn)溶液變紅，說明產(chǎn)生了堿性物質(zhì)，可以推測是NaOH；

5.將兩端連接注射針頭的導(dǎo)管中間用夾子加緊保證其不通氣，一端針頭通過軟木塞插入產(chǎn)生氣體的飲料瓶中，另一端插入廣口玻璃瓶軟木塞中，接通直流點(diǎn)火器電源，松開導(dǎo)管夾子，可觀察到玻璃瓶中針頭處有淡藍(lán)色火焰，玻璃瓶中有水珠產(chǎn)生，說明產(chǎn)生的是氫氣；

6.隨著燃燒的進(jìn)行，裝有鈉的飲料瓶水位開始上升，如果裝入的鈉較多，此時(shí)反應(yīng)繼續(xù)，繼續(xù)產(chǎn)生氫氣，形成穩(wěn)定氣源，直至鈉與水完全反應(yīng)；

7. 在第6步中如果將導(dǎo)出氣體的開關(guān)關(guān)閉，由于氫氣的產(chǎn)生將水通過導(dǎo)管流到另一個(gè)瓶子中形成噴泉，可增加實(shí)驗(yàn)趣味性（實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示）。

五、實(shí)驗(yàn)方案分析

對比我所設(shè)計(jì)的鈉與水全反應(yīng)方案與已有實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案，存在如下優(yōu)點(diǎn)：

1.采用礦泉水瓶作為反應(yīng)容器，取材容易；通過導(dǎo)管將兩個(gè)礦泉水瓶連接成U型管，易于排出反應(yīng)容器中的空氣，防止H2和空氣混合氣體的產(chǎn)生，提高了實(shí)驗(yàn)安全性；

2.用注射器針頭導(dǎo)出氫氣，操作簡單、安全；氫氣的檢驗(yàn)采用直流點(diǎn)火器點(diǎn)燃，安全性好，現(xiàn)象明顯，效果好；

3.金屬鈉被密閉在清涼油盒內(nèi)，不與水直接接觸，可以很方便的塞進(jìn)軟木塞；通過導(dǎo)管將兩個(gè)礦泉水瓶連接成U型管，金屬鈉的量可以多些，一次裝入可以進(jìn)行多次反應(yīng)，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性；

4.裝置簡單，便于學(xué)生自己制作裝置進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力；

5.電子點(diǎn)火器的引入，將物理實(shí)驗(yàn)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來，有利于同學(xué)們對物理知識(shí)與化學(xué)知識(shí)的融合；

6.實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)激發(fā)了同學(xué)們的創(chuàng)新精神，并強(qiáng)化了大家的安全意識(shí)，有利于培養(yǎng)我們實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和觀察問題、分析問題、解決問題的思維品質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)方案存在的主問題要是電子點(diǎn)火器的獲取，社會(huì)上沒有太多廢棄煤氣灶可利用，購買新的電子點(diǎn)火器雖然不貴（10元左右）但無形增加了實(shí)驗(yàn)成本；實(shí)驗(yàn)中多處使用了注射器針頭，需要同學(xué)們小心操作否則易刺破手。

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有區(qū)別于其他學(xué)科的獨(dú)特作用。通過實(shí)驗(yàn)不僅可以培養(yǎng)我們細(xì)致觀察的習(xí)慣，而且可以訓(xùn)練我們通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行合理假設(shè)并對假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證的科學(xué)素養(yǎng)。

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