鈉與水反應(yīng)實驗裝置的改進(jìn)

畢曉昀 張會清

摘要： 通過文獻(xiàn)研究歸納數(shù)十年來不斷推動“鈉與水反應(yīng)的氣體產(chǎn)物檢驗”實驗裝置創(chuàng)新的五種重要“道具”： 尖嘴管、J形管、針、肥皂液、注射器。本實驗再次作改進(jìn)，設(shè)計用瓶塞刺穿器為新“道具”的實驗方案，使該實驗操作更簡捷安全、現(xiàn)象更明顯、成功率更高。

關(guān)鍵詞： 鈉與水的反應(yīng); 瓶塞刺穿器; 實驗裝置改進(jìn); 實驗探究

文章編號： 10056629（2020）06006804? 中圖分類號： G633.8? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

基于教材實驗的改進(jìn)與創(chuàng)新是一線中學(xué)化學(xué)教師開展實驗教學(xué)研究的重要內(nèi)容。“為什么改”（已有實驗方法的缺陷與不足）以及“怎么改”（裝置、步驟、注意事項等）則是其中必須著重解決的兩個關(guān)鍵性問題。在諸多的成功案例中，特定儀器、物品或試劑等關(guān)鍵道具的使用往往起到至關(guān)重要的作用。本文以“金屬鈉與水反應(yīng)氣體產(chǎn)物的檢驗”這一實驗為例，談?wù)剬嶒瀯?chuàng)新與改進(jìn)過程中關(guān)鍵道具的作用，并給出基于新道具的改進(jìn)實驗方案。

2 文獻(xiàn)研究

以中國知網(wǎng)中的《化學(xué)教育》《化學(xué)教學(xué)》《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》《實驗教學(xué)與儀器》等四本中學(xué)化學(xué)教學(xué)和實驗類期刊為檢索來源，以“鈉”和“水”為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，去除無關(guān)干擾項后共獲得100余篇與“鈉與水反應(yīng)氣體產(chǎn)物的檢驗”直接相關(guān)的實驗改進(jìn)類參考文獻(xiàn)。其中最早可查的文獻(xiàn)見于《化學(xué)教學(xué)》1981年第2期發(fā)表的“金屬鉀、鈉和水反應(yīng)的實驗”[1]，1984至1988年《化學(xué)教育》共刊出4篇相關(guān)文章，之后該實驗研究出現(xiàn)斷檔，直到1993年開始，幾乎每年都有3～4篇文章刊出，2014至2019年間對該實驗的探討尤為熱烈，僅這四本期刊就有50余篇文章刊出，其中不乏對前人實驗方案的總結(jié)、分析、對比和評價[2～5]。

仔細(xì)研究每一篇文章后發(fā)現(xiàn)，百余位作者的研究成果，目的可能略有差異，裝置也都不盡相同，但其中幾種特定道具的出現(xiàn)和使用成為推動這一實驗的改進(jìn)與創(chuàng)新的關(guān)鍵，筆者嘗試對其進(jìn)行了歸類與分析。

3 推動“鈉與水反應(yīng)氣體產(chǎn)物檢驗”實驗創(chuàng)新的幾種關(guān)鍵道具

3.1 關(guān)鍵道具一： 帶開關(guān)的尖嘴管——氫氣的收集與釋放更為可控

如圖1a所示，早在1981年楊申姑[6]就使用了帶開關(guān)的尖嘴管，其形狀及控制原理均類似于堿式滴定管（如圖1b所示）。與傳統(tǒng)的“用試管排水法收集氫氣，拇指堵住試管口移近火焰”相比，這個開關(guān)的存在使得氫氣的儲存、釋放與點燃更具有可控性，并且完全避免了皮膚與氫氧化鈉水溶液的接觸。此后，類似的控制開關(guān)被廣泛使用，并被“廢舊的酸式滴定管尖嘴部分（如圖1c所示）”“橡膠管加T形夾（如圖1d所示）”等替代，使得取材來源更為廣泛。陳央央[7]將導(dǎo)管設(shè)計成彎形（如圖1e所示），以避免在空間上與其他儀器碰撞。

3.2 關(guān)鍵道具二： J形管——改“收集氫”為“儲存氫”

與U形管不同，J形管的一端比另一端高出一部分（如圖2a所示），以容納體系中生成的氣體所排出的水。投入鈉后塞緊橡膠塞，此時尖嘴管處開關(guān)為關(guān)閉狀態(tài)，生成的氫氣排向J形管高出端。待反應(yīng)結(jié)束后，尖嘴管處開關(guān)打開，依據(jù)連通器的原理，高出的液面下降，將氣體從尖嘴管推出，同時將火焰靠近即可清晰觀察到氫氣燃燒的火焰，現(xiàn)象明顯。但釋放和點燃?xì)怏w需要雙手甚至是雙人的默契配合，未經(jīng)訓(xùn)練的學(xué)生不容易上手，而且J形管屬于異形儀器，需要自制或定制，使其推廣受到很大限制。此后各種原理相近的替代裝置層出不窮。

圖2b裝置保留了U形管的造型，而儲氫空間則由分液漏斗[8]代替，將之改成普通漏斗、長頸漏斗甚至飲料瓶也都能起到相同的作用。還有相當(dāng)一部分裝置不再使用U形管，直接用廣口瓶[9]（圖2c）或者錐形瓶（圖2d）作為反應(yīng)容器。

以上若干裝置，雖然外形上差異很大，但從本質(zhì)上來說都是“排水儲氫”加“尖嘴管點燃驗氫”的組合，原理上并無不同。

3.3 關(guān)鍵道具三： 針——鈉的投入方式有了重大突破

1995年劉金雄[10]用一根大頭針穿過切好了的金屬鈉，然后釘在橡膠塞上，蓋上瓶塞之后，通過瓶子的反轉(zhuǎn)使得鈉與水接觸，隨即熔成小球，脫離大頭針，浮于水面上繼續(xù)反應(yīng)。該方法后來被用于高中化學(xué)教材（如圖3所示）。

小小一根針，使得投鈉、蓋塞的兩個操作合二為一，甚至可以單手進(jìn)行操作。之后的實驗改進(jìn)中陸續(xù)出現(xiàn)了縫衣針、鐵釘、注射器針頭甚至是細(xì)鐵絲等代替品。

3.4 關(guān)鍵道具四： 肥皂液——氫氣的收集和點燃方式又有創(chuàng)新

2011年劉文明[11]在排水儲氫之后，并沒有直接釋放進(jìn)行點燃，而是在導(dǎo)管口涂了一些吹泡液，之后緩慢開啟活塞釋放的氣體吹起氣泡（如圖4a所示），輕輕晃動導(dǎo)氣管，氣泡便離開管口，飄然向上，如果用火焰靠近氣泡，便可聽到清脆的爆鳴聲。

上述方法趣味性有余，但可控性不足，對氣體釋放速度和肥皂液的要求都比較高，操作不當(dāng)可能無法形成較大且不易破裂的氣泡，后期追逐及點燃?xì)馀莸倪^程也會出現(xiàn)諸多不可控因素。2013年吳茂江[12]改進(jìn)了肥皂液的用法（如圖4b所示），將生成的氣體通入肥皂液中，再用燃著的火柴直接靠近氣泡。這種方法在2014～2019年的文獻(xiàn)中多次出現(xiàn)，足見其實用性。

3.5 關(guān)鍵道具五： 注射器——集反應(yīng)、儲氫、驗氫于一體

1993年任有良[13]最早開始在該實驗中使用注射器（見圖5），針筒內(nèi)部成為鈉和水的反應(yīng)器，生成的氫氣推動注射器內(nèi)栓向外移動，達(dá)到儲氫的目的，反應(yīng)結(jié)束后靠近火焰推出氫氣即可點燃。

隨后，注射器的新功能被不斷地開發(fā)出來。如用于向已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的裝置中加注少量水，以提升水面高度啟動鈉和水的反應(yīng);或在反應(yīng)結(jié)束后抽取少量氫氣進(jìn)行檢驗;也有將兩個注射器外筒用橡膠管或塑料管連接，就成了可以在U形管和J形管之間任意切換的組合裝置。

鈉與水反應(yīng)實驗成功的關(guān)鍵取決于投鈉、儲氫、驗氫等幾個關(guān)鍵步驟，而以上關(guān)鍵道具正是突破難點的重要手段。筆者經(jīng)過反復(fù)嘗試，選取以上部分關(guān)鍵道具進(jìn)行重組，并加入新道具，設(shè)計出更安全、簡捷的新實驗方案。

4 基于新道具的“鈉與水反應(yīng)的氣體產(chǎn)物檢驗”實驗方案的設(shè)計

4.1 新道具： 瓶塞刺穿器

一次性醫(yī)用輸液器套件中刺入輸液袋的一端叫做瓶塞刺穿器（如圖6所示），具有中空金屬針頭，將針、導(dǎo)氣管的作用合二為一，穿進(jìn)橡膠塞后與輸液軟管配合使用，既可借助針尖戳取鈉粒又可導(dǎo)出氣體，制作非常方便。如暫時無法找到，也可用針和玻璃導(dǎo)管代替。

4.2 其他儀器和試劑

鐵架臺（或大燒杯一個）、大試管、橡膠塞、輸液軟管（或與細(xì)玻璃管匹配的橡膠管）、鑷子、小刀、玻璃片、濾紙、鈉、肥皂水（廚房用洗潔精與水1∶10配制）、蒸餾水

4.3 實驗步驟

步驟1： 按圖7所示裝置組裝儀器，并檢查氣密性。裝置a穩(wěn)定性好，便于教師演示;裝置b省去夾持部分，更加簡單便捷，適合學(xué)生實驗。

步驟2： 向大試管中加入水，水面高度與針尖齊平或略低;向小燒杯中加入約30mL肥皂水。

步驟3： 從煤油中取出鈉，切取綠豆大小一粒，用濾紙吸干表面煤油。

步驟4： 從試管上取下帶有針頭的橡膠塞，用針尖扎入鈉塊，蓋回試管，將導(dǎo)管出口沒于肥皂水中。此時若鈉塊與水面沒有接觸，可輕搖試管。

步驟5： 待反應(yīng)結(jié)束鈉塊消失后，將導(dǎo)管出口從小燒杯中取出，用劃著的火柴靠近小燒杯中的肥皂泡，觀察現(xiàn)象。

注意事項：（1）鈉塊不宜過大且表面的煤油需盡量吸干，以防鈉在反應(yīng)過程中燃燒，導(dǎo)致橡膠塞彈出發(fā)生危險;（2）火焰靠近肥皂泡前務(wù)必將導(dǎo)管出口移出肥皂液，以避免導(dǎo)管及試管內(nèi)殘留的氫氣被點燃。

4.4 優(yōu)點——簡單與安全

“鈉與水反應(yīng)的氣體產(chǎn)物檢驗”實驗通常被設(shè)計成教師課堂演示而非學(xué)生實驗，其原因有三： 首先，鈉與水的反應(yīng)以及氫氣的檢驗存在劇烈燃燒甚至爆炸的危險，教師不敢讓學(xué)生親自嘗試;其次，文獻(xiàn)中的一些實驗方案雖然能夠有效提升安全性，但裝置過于復(fù)雜，甚至用到異形儀器，不可能準(zhǔn)備多套用到學(xué)生實驗中;第三，一些實驗設(shè)計的操作步驟較為繁瑣，一般學(xué)生難以快速上手，如一邊打開開關(guān)釋放氫氣一邊點燃的操作，需要雙手甚至是兩人默契配合才能完成，學(xué)生操作時容易配合失調(diào)而導(dǎo)致實驗失敗。本文新設(shè)計的這套實驗裝置則有效地克服了以上缺陷，裝置簡單、操作便捷、可控性強、安全、可重復(fù)使用，經(jīng)多次實踐均取得了非常好的教學(xué)效果。

5 關(guān)于實驗改進(jìn)的幾點思考

5.1 理念中的取舍

實驗的改進(jìn)與創(chuàng)新是新手教師成長的必經(jīng)階段。實驗改進(jìn)的目的可能有很多種，其中不乏為了趕時髦而進(jìn)行的各種改動，但是不是真的有必要呢？化學(xué)實驗的“微型化”“數(shù)字化”“生活化”“綠色化”都有其各自適用的場合，但是你的課堂真的需要嗎？把教師的演示實驗設(shè)計成微型化實驗，你讓學(xué)生看什么？明明用手就可以摸出溫度的變化，真的有必要上溫度傳感器嗎？黑面包實驗聞不到焦糖的“香”、鋁熱反應(yīng)看不到火星四射和煙霧繚繞，把它們“捂”在一個密閉的空間里進(jìn)行，雖然環(huán)保、安全，但和看實驗視頻也就沒什么區(qū)別了。

5.2 借鑒中的思辨

一個實驗存在這樣那樣的缺陷需要改進(jìn)時，前人的經(jīng)驗可能成為最大的助力。公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料、學(xué)習(xí)觀摩過的課例、網(wǎng)絡(luò)上的實驗視頻，是我們獲取資源的多種方式，但是信息越多，越需要冷靜的思考。以文中所述“鈉與水反應(yīng)氣體產(chǎn)物檢驗”為例，90余篇文獻(xiàn)，看起來裝置圖各不相同，但其中的關(guān)鍵節(jié)點不過幾個，必須加上自己的思考和實踐，才能實現(xiàn)真正的創(chuàng)新。

5.3 生活中的發(fā)現(xiàn)

一位優(yōu)秀的化學(xué)教師是戴著“化學(xué)的眼鏡”來看世界的。一段新聞、一個廣告、電視劇里的一個片段、商品上的一張標(biāo)簽，都可能成為課堂創(chuàng)意的來源。生活中有很多物品比如注射器，很早就被用到化學(xué)實驗中，還有醫(yī)療用的真空袋、輸液軟管、輪式夾、瓶塞刺穿器，以及礦泉水瓶、食品袋中的脫氧劑、紫甘藍(lán)和黑枸杞、甚至硫酸亞鐵片……，不管是生活用品、食品還是藥品，只要用得恰到好處，每一樣“道具”都可能給課堂實驗帶來意想不到的效果。

縱觀各級部門組織的化學(xué)實驗創(chuàng)新大賽，其中很多作品確實讓人耳目一新，但真正能夠用到課堂上的又有幾個？筆者認(rèn)為，課堂實驗的改進(jìn)最根本的目的就是拉近學(xué)生與實驗的距離，讓學(xué)生能夠更真切地感受實驗本身，方便學(xué)生觀察或上手，這才是實驗改進(jìn)與創(chuàng)新的真正意義所在。

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