鈉與水反應(yīng)的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)綜述及新設(shè)計(jì)

劉玉榮 王陽

摘要： 對(duì)近四十年來鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，依據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的相似性對(duì)經(jīng)典的改進(jìn)裝置進(jìn)行歸類分析。共分四類，前三類實(shí)質(zhì)是由反應(yīng)端和貯水端兩部分組成的連通裝置，方便教學(xué)演示;第四類是集收集檢驗(yàn)于一體的注射器改進(jìn)，適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)。為了方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)，聚焦分析注射器的改進(jìn)案例，簡(jiǎn)化鈉與水的接觸方式，設(shè)計(jì)出更優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案，更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的作用。

關(guān)鍵詞： 鈉與水反應(yīng); 實(shí)驗(yàn)綜述; 注射器; 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 10056629（2018）12007506中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)是高中探究金屬鈉物理化學(xué)性質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，為了獲取更全面的實(shí)驗(yàn)信息，教育工作者們自20世紀(jì)70年代至今一直延續(xù)著對(duì)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與完善，設(shè)計(jì)了符合教學(xué)需要的各式裝置。然而多數(shù)改進(jìn)因裝置復(fù)雜或儀器需特制等原因僅適合教師演示，能讓學(xué)生動(dòng)手操作的很少，而學(xué)生的直接參與更有利于鈉性質(zhì)的探究。本文整理分析了已有的鈉與水反應(yīng)的創(chuàng)新裝置，簡(jiǎn)化鈉與水的接觸方式，設(shè)計(jì)出適合學(xué)生實(shí)驗(yàn)的新方案。

1?鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)綜述

現(xiàn)行的蘇教版[1]、人教版[2]、魯科版[3]教材均采用向培養(yǎng)皿（或燒杯）中加適量水，滴入1～2滴酚酞溶液，將切好的鈉投入到水中觀察現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)方案，其中人教版在實(shí)驗(yàn)步驟旁添加提示欄目“注意鈉與溶液的變化，有沒有氣體產(chǎn)生，反應(yīng)是否放出熱量”來幫助學(xué)生聚焦鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀察點(diǎn)。該方案操作簡(jiǎn)單，鈉塊的游動(dòng)軌跡、形狀變化以及水變紅的現(xiàn)象十分明顯，但是單從鈉塊四處游動(dòng)并伴有嘶嘶聲難以直觀地推測(cè)有氣體產(chǎn)生，并證明該氣體就是氫氣。以往教材也設(shè)計(jì)有收集檢驗(yàn)氣體的方案，但因存在安全隱患、操作有難度等原因被現(xiàn)行方案所替代。因此，不少教育工作者在實(shí)際教學(xué)中依據(jù)教學(xué)環(huán)境、教學(xué)需要等原因設(shè)計(jì)出各式各樣的改進(jìn)裝置。

以“鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)”為主題在知網(wǎng)上進(jìn)行檢索，自1979年至今一直延續(xù)著對(duì)該實(shí)驗(yàn)的討論，發(fā)表文獻(xiàn)共197篇，其中有17篇圍繞鈉的用量、實(shí)驗(yàn)安全、酚酞何時(shí)加入等問題展開討論，其余180篇均是實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，在圍繞儀器的改造及連接方式、實(shí)際操作的難易、鈉塊游動(dòng)軌跡是否便于觀察、收集氫氣的純度、檢驗(yàn)效果是否明顯等五個(gè)方面進(jìn)行裝置改進(jìn)，以此提高實(shí)驗(yàn)的安全性和成功率。

其中發(fā)表在《化學(xué)教育》和《化學(xué)教學(xué)》的文章共40篇，有關(guān)裝置改進(jìn)的34篇，篩選整理兩期刊中的典型案例，依據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的相似性將其分為四類。第一類裝置的原型是《高級(jí)中學(xué)·化學(xué)》[4]中的實(shí)驗(yàn)方案，如圖1所示，用鑷子將鋁箔包裹的鈉塊送到盛滿水的試管口，待反應(yīng)結(jié)束用爆鳴法檢驗(yàn)收集的氣體。該方案由于操作有難度，收集氣體純度低，難以分辨氣體來源，檢驗(yàn)氣體存在安全隱患等不足，出現(xiàn)了如表1中所示的裝置改進(jìn)。這類改進(jìn)裝置的反應(yīng)容器均需上下開口的容器如硬質(zhì)玻璃管、球型干燥管、分液漏斗、去底的廣口瓶等，方便裸露在空氣的一端直接連接尖嘴管或注射器進(jìn)行氣體的檢驗(yàn)，產(chǎn)生氣體排出的水則從另一端被壓入外圍的燒杯中。

第二類裝置用集氣瓶作反應(yīng)容器，用漏斗作為加水和排水的通道，還可與噴泉實(shí)驗(yàn)結(jié)合增加現(xiàn)象的趣味性。第三類裝置采用U型管或組裝的連通器，整個(gè)裝置分為反應(yīng)端和貯水端兩部分，貯水端需加長(zhǎng)或與漏斗連接。第四類裝置用注射器作反應(yīng)容器，通過活塞的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)氣體的收集與檢驗(yàn)。

前三類實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)質(zhì)均屬一個(gè)連通裝置，裝置可分反應(yīng)端與貯水端，當(dāng)氣體生成時(shí)氣體將反應(yīng)端的水壓入貯水端，當(dāng)氣體檢驗(yàn)時(shí)隨著氣體的消耗貯水端的水位下降，同時(shí)貯水端的水又會(huì)將氣體壓出且沒有殘留。通過上述的分析，鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)在改進(jìn)時(shí)裝置需滿足的條件有： ①密封性良好的反應(yīng)容器;②氣體生成時(shí)用來疏通反應(yīng)容器中水位變化的通道;③檢驗(yàn)氣體用的尖嘴玻管或針頭。另外實(shí)驗(yàn)還需考慮安全問題，用點(diǎn)燃法檢驗(yàn)氫氣有爆炸的危險(xiǎn)，故必須保證點(diǎn)燃前裝置中沒有空氣或極少量的空氣，又因?yàn)樵跉怏w收集前還需將鈉與水隔開，因而鈉與水的接觸方式成為改進(jìn)成功的關(guān)鍵因素，表2詳細(xì)列出可供參考的鈉與水隔開的方法。

2?鈉與水反應(yīng)的新設(shè)計(jì)

2.1?注射器改進(jìn)實(shí)驗(yàn)分析

在教學(xué)條件允許的情況下，以上改進(jìn)裝置需要經(jīng)過特制、改造和專門組裝后才能投入日常教學(xué)的使用，并且大多數(shù)裝置只能用作教師演示實(shí)驗(yàn)，難以實(shí)現(xiàn)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。第四類注射器的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)因材料來源方便、裝置密封性良好、收集檢驗(yàn)一體化等優(yōu)點(diǎn)適合學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐。現(xiàn)有注射器的改進(jìn)案例共四例，具體的實(shí)驗(yàn)裝置圖、操作方法、創(chuàng)新點(diǎn)以及不足詳見表3。

對(duì)比上表中各實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，可以得出進(jìn)一步改進(jìn)此類實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)思路： 第一，鈉與水接觸方式的簡(jiǎn)便性是實(shí)驗(yàn)易操作、成功率高的關(guān)鍵因素，故應(yīng)減少輔助材料的使用;第二，注射器的內(nèi)筒空間小，鈉塊用量少，反應(yīng)劇烈程度在可控范圍內(nèi)，另為了保證鈉與水的充分接觸，故不需要在吸水前吸入煤油;第三，在膠塞密封針頭前，為了防止吸水過程中鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生的氣體氣流將液體從針頭嗆出，應(yīng)將針頭朝上從另一個(gè)容器中吸水;第四，為了收集全部的氣體，在用橡膠塞密封注射器針頭前應(yīng)將鈉與水隔開。

2.2?實(shí)驗(yàn)新設(shè)計(jì)與創(chuàng)新點(diǎn)

基于以上實(shí)驗(yàn)的分析和對(duì)金屬鈉性質(zhì)的研究，經(jīng)過反復(fù)的嘗試與改進(jìn)，設(shè)計(jì)出用注射器作為實(shí)驗(yàn)裝置方便學(xué)生操作并成功率高的新方案，詳見圖2。

實(shí)驗(yàn)用品： 鈉、酚酞溶液、蒸餾水、帶針頭的30mL注射器（1支），帶軟塞的塑料輸液瓶（1個(gè)），橡膠塞（1個(gè)）、酒精燈

實(shí)驗(yàn)操作：

（1） 拔下活塞芯桿，將3/4綠豆大小的鈉塊放入注射器針筒前端出水口邊上的位置，按上活塞芯桿用力推壓，直至推不動(dòng)為止，反復(fù)抽出推進(jìn)，保證將鈉塊粘附在注射器前端偏離小孔的位置，見圖2①。往回拉活塞1mL，預(yù)留1mL的空氣。

（2） 將注射器針頭傾斜向上，從盛有水（滴入幾滴酚酞溶液）的輸液瓶中緩緩吸水6mL，注意調(diào)整注射器傾斜的角度防止鈉與水接觸，見圖2②。

（3） 保持注射器傾斜角度不變，用橡膠塞密封注射器的針頭，見圖2③。倒轉(zhuǎn)，針頭朝下，水與鈉接觸開始反應(yīng)，鈉上浮到水面，可以觀察到鈉熔成小球，活塞不斷向上移動(dòng)至21mL的刻度處，見圖2④。

（4） 反應(yīng)停止后拔掉橡膠塞將注射器針頭斜向上，靠近酒精燈的火焰，勻速緩慢推動(dòng)活塞芯桿，點(diǎn)燃?xì)怏w，可以看到氫氣安靜地燃燒，見圖2⑤。

創(chuàng)新點(diǎn)：

（1） 利用金屬鈉很軟的物理性質(zhì)，將鈉塊粘附在注射器針筒內(nèi)壁的前端，在鈉與水接觸反應(yīng)前只需預(yù)留1mL空氣將鈉與水隔開，無需借助膠囊、濾紙等輔助材料包裹鈉塊，保證了鈉與水接觸的簡(jiǎn)潔性。

（2） 鈉的用量較少，注射器空間小，鈉上浮后在水面四處游動(dòng)的現(xiàn)象十分明顯。

（3） 實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，減少了實(shí)驗(yàn)過程中因借助輔助儀器材料等引起的不可控因素，保證反復(fù)操作的成功率。

注意事項(xiàng)：

（1） 實(shí)驗(yàn)用30mL的注射器，鈉塊應(yīng)控制在1/2～4/5綠豆大小，水的吸入量控制在5～6mL，防止鈉塊用量過大，生成的氣體超出注射器的量程，氣體將注射器活塞彈出。

（2） 實(shí)驗(yàn)操作第（3）步鈉塊與水接觸上浮至水面游動(dòng)的過程中，鈉塊會(huì)迸濺到注射器針筒的內(nèi)壁上，需及時(shí)晃動(dòng)注射器避免鈉與內(nèi)筒的粘附，防止鈉與水反應(yīng)放出的熱量將塑料注射器內(nèi)筒燒熔后鈉塊從注射器中彈射出發(fā)生危險(xiǎn)。

3?小結(jié)

在高中階段鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)是研究鈉性質(zhì)的重要實(shí)驗(yàn)，本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的相似性對(duì)已有的改進(jìn)歸類分析，認(rèn)為鈉與水隔開的方法是改進(jìn)實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。其中注射器的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)因材料來源方便、裝置密封性良好、反應(yīng)收集檢驗(yàn)一體化等優(yōu)點(diǎn)作為學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)無疑是不錯(cuò)的選擇。目前教材中的實(shí)驗(yàn)雖未設(shè)計(jì)氣體的收集與檢驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀清晰，起著不可替代的作用。所以在實(shí)際教學(xué)中，可以把課本實(shí)驗(yàn)作為教師的演示實(shí)驗(yàn)，順勢(shì)提出問題，引導(dǎo)學(xué)生分析生成氣體的成分并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明，在學(xué)生充分討論的基礎(chǔ)上，用以上新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)收集并檢驗(yàn)氣體。這樣學(xué)生不僅能根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出鈉與水反應(yīng)的氣體產(chǎn)物，而且體驗(yàn)了科學(xué)探究的過程，深化了“通過實(shí)驗(yàn)收集證據(jù)——根據(jù)證據(jù)進(jìn)行合理推理——得出結(jié)論”的化學(xué)思維方式。

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