常溫下鈉在空氣中反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究

陳云

摘要： 依據(jù)常溫下鈉與氧氣反應(yīng)的原理，運(yùn)用自制三口瓶改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，利用O2傳感器、CO2傳感器和相對濕度傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。發(fā)現(xiàn)鈉與空氣中的O2、 CO2、水蒸氣等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)最終生成碳酸鈉，且同時可能發(fā)生多個反應(yīng)。初始相對濕度越大，鈉與空氣中O2、 CO2、水蒸氣反應(yīng)速率也越快。

關(guān)鍵詞： 鈉在空氣中反應(yīng); O2傳感器; CO2傳感器; 相對濕度傳感器; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 1005-6629（2019）11-0057-04? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題的提出

鈉與氧氣反應(yīng)是蘇教版高中化學(xué)必修教材《化學(xué)1》專題2第二單元第一節(jié)“金屬鈉的性質(zhì)與應(yīng)用”中的內(nèi)容，教材中有這樣一個實(shí)驗(yàn)設(shè)計環(huán)節(jié)： 取一小塊金屬鈉，用濾紙吸干表面的煤油，用小刀切去一端的表層，觀察表面的顏色;將其放置在空氣中，觀察表面顏色的變化。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象看，剛切開金屬鈉時，表面呈現(xiàn)金屬光澤，然后變暗，再放置一段時間表面呈白色。一般教師的解釋是由于鈉被空氣中的氧氣氧化為氧化鈉，還會繼續(xù)與二氧化碳、水蒸氣反應(yīng)最終生成碳酸鈉。這種解釋雖然基本沒什么問題，但是氧化鈉是白色固體，而用鈉的表面發(fā)暗的現(xiàn)象來說明鈉被氧氣氧化為氧化鈉有些牽強(qiáng)[1]，另外鈉與氧氣反應(yīng)和與空氣反應(yīng)還是有一定區(qū)別的[2， 3]。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計透過自制玻璃儀器觀察物質(zhì)變化的宏觀現(xiàn)象，借助電子傳感器捕捉化學(xué)反應(yīng)過程中的細(xì)微變化，對鈉在空氣中的反應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和知識補(bǔ)充，進(jìn)而幫助學(xué)生正確認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)及其變化的基本規(guī)律和方法，這也是新課程標(biāo)準(zhǔn)的重要內(nèi)容之一。

2? 實(shí)驗(yàn)探究分析鈉在常溫下的反應(yīng)

2.1? 實(shí)驗(yàn)原理

在室溫下，鈉能夠迅速地與空氣中的氧氣反應(yīng)，還很容易吸收空氣中的二氧化碳;鈉還會與空氣中的水蒸氣反應(yīng)或被氧氣氧化后又會與水反應(yīng)生成氫氧化鈉，氫氧化鈉與空氣中二氧化碳反應(yīng)。一般認(rèn)為，鈉暴露于空氣中，長期久置后最終產(chǎn)物就是碳酸鈉。過程中主要涉及的反應(yīng)如下：

4Na+O22Na2O①

Na2O+H2O2NaOH②

2Na+2H2O2NaOH+H2↑③

2NaOH+CO2Na2CO3+H2O④

2.2? 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

實(shí)驗(yàn)儀器： 自制三口瓶、Logger Pro 3（軟件）、數(shù)據(jù)采集器、O2傳感器、CO2傳感器、相對濕度傳感器、鑷子、小刀、玻璃片、濾紙、鐵架臺、鐵夾

實(shí)驗(yàn)藥品： 金屬鈉、煤油、濃硫酸

本實(shí)驗(yàn)采用威尼爾公司的數(shù)字采集器、數(shù)據(jù)采集軟件、O2傳感器、CO2傳感器以及相對濕度傳感器

2.3? 實(shí)驗(yàn)裝置及操作要點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)裝置中，自制三口瓶的三個口分別插入O2傳感器、相對濕度傳感器和CO2傳感器，三個口分別對應(yīng)三個凹槽，金屬鈉放在中間凹槽內(nèi)。若要改變密閉容器內(nèi)的相對濕度，可先向三口瓶的左右兩個凹槽內(nèi)滴加濃硫酸，待相對濕度穩(wěn)定后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1? 常溫下鈉在空氣中反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)操作時主要注意以下幾點(diǎn)：

（1） 金屬鈉盡量切成薄片狀，兩面皆為新切切面，且大小相等，表面積約為1.5cm×0.5cm，便于透過玻璃觀察鈉表面的現(xiàn)象，也為對比實(shí)驗(yàn)探究提供真實(shí)有用的數(shù)據(jù)。

（2） 切好金屬鈉后立即放入三口燒瓶的中間凹槽內(nèi)，迅速蓋上橡皮塞，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（3） 干燥劑濃硫酸不能與金屬鈉接觸。

2.4? 實(shí)驗(yàn)過程

2.4.1? 實(shí)驗(yàn)探究1： 空氣中相對濕度對O2濃度和CO2濃度數(shù)據(jù)采集的影響

用USB數(shù)據(jù)線將計算機(jī)與數(shù)字采集器連接起來，將O2傳感器、相對濕度傳感器和CO2傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器上，三口瓶固定在鐵架臺上，按照圖1搭好裝置。在三口瓶兩端凹槽內(nèi)分別滴加少量濃硫酸，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集，觀察曲線變化情況。

數(shù)據(jù)圖像縱軸選擇O2濃度（%）、CO2濃度（ppm）和相對濕度（%），橫軸選擇時間（s），開啟儀器采集數(shù)據(jù)，觀察O2濃度、CO2濃度和相對濕度隨時間變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

圖2? 密閉容器內(nèi)O2濃度和相對濕度隨時間變化的曲線1

圖3? 密閉容器內(nèi)CO2濃度和相對濕度隨時間變化的曲線1

圖4? 密閉容器內(nèi)O2濃度和CO2濃度隨相對濕度變化的曲線1

2.4.2? 實(shí)驗(yàn)探究2： 探究金屬鈉在空氣中反應(yīng)的原理

（1） 用鑷子夾取一小塊鈉，用濾紙把表面的煤油吸干，將鈉放在玻璃片上，用小刀切下薄片狀，觀察鈉表面的現(xiàn)象。

（2） 重復(fù)以上操作，迅速將片狀金屬鈉放入如圖1所示的三口瓶中間凹槽內(nèi)。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集，觀察鈉表面的現(xiàn)象以及數(shù)據(jù)曲線的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，用鑷子取出鈉并放回原試劑瓶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5? 密閉容器內(nèi)O2濃度和相對濕度隨時間變化的曲線2

圖6? 密閉容器內(nèi)CO2濃度和相對濕度隨時間變化的曲線2

2.4.3? 實(shí)驗(yàn)探究3： 探究空氣相對濕度對金屬鈉在空氣中反應(yīng)消耗O2和CO2速率的影響

向三口瓶的左右兩個凹槽內(nèi)分別滴加濃硫酸，待相對濕度數(shù)值穩(wěn)定后，再重復(fù)實(shí)驗(yàn)探究2實(shí)驗(yàn)操作（2）。初始相對濕度控制在30%以下，設(shè)置不同的初始相對濕度進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8和圖9所示。

圖7? 密閉容器內(nèi)相對濕度隨時間變化的曲線

圖8? 密閉容器內(nèi)CO2濃度隨時間變化的曲線

圖9? 密閉容器內(nèi)O2濃度隨時間變化的曲線

2.5? 結(jié)果與討論

2.5.1? 實(shí)驗(yàn)探究1

CO2傳感器是基于氣體的紅外吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的。不同氣體分子化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，對不同波長的紅外輻射的吸收程度不同。由于空氣中存在多種氣體，其中水蒸氣對CO2氣體的紅外吸收有一定的影響。若要探究鈉在空氣中的反應(yīng)，則需要排除由于傳感器自身原因造成的干擾。

由圖2曲線說明加入干燥劑濃硫酸后，隨時間變化，密閉容器內(nèi)相對濕度逐漸降低，O2濃度基本不變;由圖3曲線說明CO2濃度隨著相對濕度的降低逐漸上升，CO2濃度上升約50ppm（原因有待進(jìn)一步探究），且相對濕度降低到約為30%之后，CO2濃度基本保持不變;由圖4曲線說明空氣中相對濕度的變化對O2濃度的測定幾乎無影響，對CO2濃度的測定影響較小，在相對濕度低于30%時，CO2濃度基本保持不變。

因此在實(shí)驗(yàn)探究2和實(shí)驗(yàn)探究3中，涉及CO2濃度測定的實(shí)驗(yàn)，設(shè)置密閉容器內(nèi)初始相對濕度低于30%，為數(shù)據(jù)的真實(shí)有效提供了依據(jù)。

2.5.2? 實(shí)驗(yàn)探究2

實(shí)驗(yàn)探究2中實(shí)驗(yàn)（1）可以觀察到剛切開金屬鈉后，表面呈現(xiàn)銀白色的金屬光澤，然后迅速變暗，再放置一段時間表面變白，空氣相對濕度較大時，可以觀察到表面有氣泡。說明鈉與空氣中的一些物質(zhì)發(fā)生了反應(yīng)，鈉與空氣中的水蒸氣反應(yīng)生成氫氣。

實(shí)驗(yàn)探究2中實(shí)驗(yàn)（2）結(jié)果如圖5和圖6所示，由曲線說明隨著反應(yīng)的進(jìn)行，密閉容器內(nèi)O2濃度、CO2濃度和相對濕度隨時間的推移逐漸降低。說明鈉與空氣中的O2、 CO2和H2O發(fā)生了反應(yīng)。從反應(yīng)開始時O2濃度、CO2濃度和相對濕度就逐漸降低，說明同時可能發(fā)生多個反應(yīng)。

2.5.3? 實(shí)驗(yàn)探究3

由圖7曲線說明隨著反應(yīng)的進(jìn)行，密閉容器中相對濕度逐漸降低。曲線①看出相對濕度由29.64%降低到20.43%， 2000s內(nèi)降低9.21%;曲線②看出相對濕度由25.58%降低到17.36%， 2000s內(nèi)降低8.22%;曲線③看出相對濕度由20.81%降低到16.11%， 2000s內(nèi)降低4.7%。由以上數(shù)據(jù)說明初始相對濕度越大，空氣中的水蒸氣消耗速率就越快。

由圖8曲線說明隨著反應(yīng)的進(jìn)行，密閉容器中CO2濃度逐漸降低。曲線①看出CO2濃度在1000s時降到最低，且CO2濃度由336ppm降低到25ppm， CO2消耗速率為0.311ppm/s;曲線②看出CO2濃度在1050s時降到最低，且CO2濃度由302ppm降低到25ppm， CO2消耗速率為0.264ppm/s;曲線③看出CO2濃度在

1300s時降到最低，且CO2濃度由336ppm降低到25ppm， CO2消耗速率為0.239ppm/s。由以上數(shù)據(jù)表明初始相對濕度越大，空氣中的CO2消耗速率就越快。

由圖9曲線說明隨著反應(yīng)的進(jìn)行，密閉容器中O2濃度逐漸降低。曲線①看出O2濃度由20.91%降低到20.57%， 2000s內(nèi)降低0.34%;曲線②看出O2濃度由20.60%降低到20.41%， 2000s內(nèi)降低0.19%;曲線③看出O2濃度由20.94%降低到20.80%， 2000s內(nèi)降低0.14%。由以上數(shù)據(jù)表明初始相對濕度越大，空氣中的O2消耗速率就越快。

2.6? 結(jié)論

（1） 常溫下，金屬鈉在空氣中涉及的反應(yīng)較為復(fù)雜。由以上實(shí)驗(yàn)可以得出，鈉與空氣中CO2、 O2、水蒸氣等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，且同時可能發(fā)生多個反應(yīng)。

（2） 初始相對濕度越大，鈉與空氣中CO2、 O2、水蒸氣反應(yīng)速率就越快。

3? 反思與啟示

常溫下鈉在空氣中的反應(yīng)是物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一個重要知識點(diǎn)，但是教學(xué)過程中現(xiàn)象的描述并不能有效地證明微觀的變化。如何將反應(yīng)的微觀變化盡可能通過技術(shù)手段呈現(xiàn)出來，并能服務(wù)于日常的課堂教學(xué)已成為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計的主要思想。

本實(shí)驗(yàn)中自制三口瓶的設(shè)計，主要是由于常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器無法與O2傳感器、CO2傳感器匹配使用。三口瓶瓶口設(shè)計與傳感器匹配使用，形狀簡單、方便組裝、便于攜帶。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計運(yùn)用于課堂教學(xué)，金屬鈉消耗少，微量化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，節(jié)約了試劑，但獲得的信息量卻很豐富。利用O2傳感器、CO2傳感器和相對濕度傳感器同時進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，從圖像曲線的變化可直觀地看到常溫下金屬鈉在空氣中的多個反應(yīng)，解決了常規(guī)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無法解釋的問題，為理論推理提供了真實(shí)有效的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)有以下問題需要進(jìn)一步反思與改進(jìn)的：

（1） 如何設(shè)計實(shí)驗(yàn)更好地在短時間內(nèi)觀察鈉表面的變化過程？

常溫下金屬鈉在空氣中反應(yīng)，其表面現(xiàn)象發(fā)生變化比較緩慢，要想在課堂上短時間內(nèi)觀察到相關(guān)現(xiàn)象比較困難。一般能觀察到金屬鈉表面變暗，接下來的現(xiàn)象就需要等待一段時間才行。相關(guān)影響因素中較容易改變的是金屬鈉的厚薄，但如何將鈉在短時間內(nèi)壓成極薄的片狀也是一個難題。是否還可以從其他途徑著手呢？再者，如何設(shè)計“利用傳感器實(shí)驗(yàn)探究氧氣濃度、二氧化碳濃度、相對濕度、鈉的表面積等因素對反應(yīng)速率的影響”也是可深入探討的一個問題。

（2） 如何利用三口瓶進(jìn)一步設(shè)計實(shí)驗(yàn)？

三口瓶的設(shè)計新穎且簡單，可以用于多種物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)原理探究，如本實(shí)驗(yàn)設(shè)計鈉在空氣中的反應(yīng)，也可以設(shè)計實(shí)驗(yàn)探究氫氧化鈉與CO2的反應(yīng)、氫氧化鈉的潮解等。如何有效利用自制三口瓶進(jìn)行多樣化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，并服務(wù)于課堂教學(xué)？

后續(xù)還有很多相關(guān)工作要做，需要我們不斷去探索。

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