鈉與水反應(yīng)裝置的趣味化改進(jìn)

鞏永銳　李忠恒　周麗梅

摘要：采用小試管、透明中性筆、肥皂泡、煤油等一系列常見用品對(duì)鈉與水反應(yīng)裝置進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的裝置不僅能驗(yàn)證氫氣的產(chǎn)生，同時(shí)還能比較鈉、水、煤油三者的密度。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)有現(xiàn)象明顯、易于觀察、裝置簡(jiǎn)單、趣味性強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鈉與水反應(yīng);裝置改進(jìn);實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005-6629（2021）05-0069-04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1教材實(shí)驗(yàn)分析

魯科版和人教版高中化學(xué)教材對(duì)鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)均采用了最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案，即在敞口的燒杯中滴加幾滴酚酞試劑，然后將綠豆大的鈉粒投人水中，根據(jù)溶液顏色的變化可知有NaOH生成。然而，推動(dòng)鈉粒四處游動(dòng)的H₂卻只能根據(jù)氧化還原理論加以推導(dǎo)得出，無(wú)法驗(yàn)證H₂，缺乏說(shuō)服力。

2改進(jìn)實(shí)驗(yàn)分析

針對(duì)教材中實(shí)驗(yàn)裝置的不足，許多化學(xué)教育工作者進(jìn)行了多方面的改進(jìn)，比較有代表性的有以下四類。

方案一：裝置如圖1所示。切一塊略大于漏斗頸內(nèi)徑的鈉塊，置于漏斗中。向盛有水的培養(yǎng)皿中滴入2～3滴酚酞指示劑，將裝有鈉的漏斗倒扣入培養(yǎng)皿中，觀察現(xiàn)象。點(diǎn)燃漏斗尾部，看見燃燒現(xiàn)象，取干燥的燒杯置于火焰上方，燒杯內(nèi)壁有水珠生成。

方案二：裝置如圖2（a或b）所示。向大試管中加入適量水，液面與瓶塞針尖齊平或略低，小燒杯中加入約30mL肥皂水。瓶塞刺穿器前端有中空的金屬針頭，取下連接有金屬針頭的橡膠塞，用針尖扎入一小塊鈉，蓋回試管，產(chǎn)生的氣體通過針尖前端的小孔進(jìn)入輸液軟管，到達(dá)右邊的燒杯。反應(yīng)結(jié)束后，用燃燒的火柴靠近肥皂泡，觀察現(xiàn)象。

方案三：裝置如圖3所示。截去塑料瓶底，將瓶蓋扎一個(gè)小洞，使玻璃導(dǎo)管恰好穿過小孔。向三頸燒瓶?jī)?nèi)加入適量蒸餾水，關(guān)閉尖嘴管活塞，檢驗(yàn)氣密性后，向三頸燒瓶?jī)?nèi)滴入2～3滴酚酞指示劑，將502膠水處理過的小塊鈉投入三頸燒瓶?jī)?nèi)，尖嘴管涂抹適量肥皂泡，觀察現(xiàn)象。

方案四：實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。取一塊金屬鈉，擦干煤油后，用電子天平準(zhǔn)確稱量0.41g。連接裝置，檢查裝置的氣密性。用注射器向溫度傳感器尖端的鈉粒滴加水溶液，用華為閃拍技術(shù)記錄鈉融化的整個(gè)過程。鈉跌落后，先打開彈簧夾排盡集氣瓶?jī)?nèi)空氣，再關(guān)閉彈簧夾，使內(nèi)部氣壓逐漸變大，進(jìn)而形成“噴泉實(shí)驗(yàn)”，最后用燃著的木棒檢驗(yàn)水槽內(nèi)冒出的氣泡。

以上四種方法都采用酚酞指示劑檢驗(yàn)氫氧化鈉，但氫氣的驗(yàn)證方法、實(shí)驗(yàn)裝置的復(fù)雜性、操作難度、成功概率、安全性、趣味性等方面均存在較大差異。其優(yōu)缺點(diǎn)分析如表1所示。

綜上所述，四個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)各有利弊。方案一裝置簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，成功率高，但裝置缺少趣味性。方案二中瓶塞刺穿器將針、導(dǎo)氣管作用合二為一，舊物利用，比較環(huán)保。但中空針尖的氣孔過小，輸液軟管過細(xì)，取用鈉塊時(shí)可能會(huì)堵塞輸液軟管，或者產(chǎn)生氫氣的速率過快，無(wú)法及時(shí)排出，存在一定的安全隱患。方案三能從三頸燒瓶?jī)?nèi)金屬鈉的游動(dòng)、尖嘴管末端氣泡產(chǎn)生、噴泉實(shí)驗(yàn)等多方面驗(yàn)證了氣體產(chǎn)生，具有趣味性。然而裝置對(duì)氣密性要求過高，噴泉現(xiàn)象不易產(chǎn)生，同時(shí)與三頸燒瓶?jī)?nèi)壁相接的尖嘴管需要定制，部分偏遠(yuǎn)山區(qū)學(xué)校較難滿足實(shí)驗(yàn)條件。裝置四利用溫度傳感器定量地感知反應(yīng)前后溫度的改變值，燒瓶?jī)?nèi)氣壓的增大同樣能形成噴泉實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用華為閃拍技術(shù)可觀察到反應(yīng)過程中鈉的變化，根據(jù)集氣瓶的大小能近似計(jì)算所需金屬鈉的質(zhì)量，比較節(jié)約藥品。但“噴泉現(xiàn)象”不易產(chǎn)生，溫度傳感器、華為閃拍技術(shù)等現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)技術(shù)很多山區(qū)學(xué)校并不具備，實(shí)用性不強(qiáng)。

3鈉與水反應(yīng)裝置趣味化新設(shè)計(jì)

基于上述分析，筆者決定取其精華，采用學(xué)生生活常見物品設(shè)計(jì)出一種鈉與水反應(yīng)的新裝置，使其更加具有趣味性和安全性，讓每位學(xué)生都能參與到裝置的組裝與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，直觀感受氫氣的生成。

3.1儀器與試劑

儀器：鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、小試管一支（10mm×100mm）、小刀、鑷子、濾紙、透明中性筆一支（外徑略小于10mm）、玻璃棒、兩支注射器

試劑：鈉、酚酞指示劑、蒸餾水、煤油、肥皂水

3.2實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

（1）用帶鐵夾的鐵架臺(tái)固定住一支小試管，先用一支注射器向小試管內(nèi)加入3mL左右的蒸餾水，滴入一滴酚酞指示劑，接著再用另一支注射器向小試管內(nèi)注入約2.5mL煤油。

（2）將中性筆筆芯抽去，筆身部分塞入小試管內(nèi)，將中性筆尖端涂抹上肥皂水。

（3）用鑷子將金屬鈉從煤油中取出，用濾紙吸干表面的煤油，再用小刀切一塊綠豆粒大小的鈉。

（4）將鈉塊從筆管上部投入試管后，迅速將涂有肥皂水的筆尖裝在筆管上。鈉緩緩地在煤油里下沉，到了煤油與水的接觸界面時(shí)，鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生氣泡，氣泡在煤油里面逐漸上升，浸有肥皂泡的筆尖產(chǎn)生了氣泡。同時(shí)，鈉在氣體的推動(dòng)下從煤油里逐漸上升，到距離煤油液面約0.5 cm的位置，又在重力作用下再次下沉，如此循環(huán)往復(fù)，鈉在煤油層中“上下舞動(dòng)”。鈉與水接觸，界面處水溶液變紅，鈉與水每接觸一次，可見到溶液變紅的區(qū)域逐漸擴(kuò)大。裝置如圖5所示。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）鈉與水接觸后逐漸融化成一個(gè)光亮的小球，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)放熱，鈉的熔點(diǎn)比較低;鈉能沉入煤油底部，與水反應(yīng)后卻沒有在重力的作用下繼續(xù)下沉，而在生成氣體的推動(dòng)下回到了煤油中，說(shuō)明p（水）>p（鈉）>p（煤油）;滴有酚酞的水溶液變紅，說(shuō)明反應(yīng)后有堿性物質(zhì)生成。

（2）用玻璃棒將筆尖處變大的氣泡撥向空中，用燃燒的火柴靠近氣泡，聽見“啪”的爆鳴聲，證明該氣體是氫氣。

反應(yīng)的化學(xué)方程式：2Na+2H₂O=2NaOH+H₂↑

3.4實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）試管中水和煤油的量一定要適中，太少了不易觀察到鈉在煤油層中“上下舞動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，且鈉浮到煤油層頂部和空氣接觸會(huì)引發(fā)其他副反應(yīng)。

（2）鈉的量不宜過多，一般切綠豆粒大一塊即可。太大了反應(yīng)過于劇烈，存在一定的安全隱患;太小了不易產(chǎn)生足夠的氫氣氣泡，難以驗(yàn)證氫氣的產(chǎn)生，同時(shí)鈉在煤油中上升的高度也會(huì)不明顯。

（3）將鈉投人試管后，應(yīng)迅速將浸有肥皂泡的筆尖部分套上筆身，避免氫氣逸出，導(dǎo)致檢驗(yàn)時(shí)氣泡不夠多。

（4）檢驗(yàn)氫氣時(shí)用玻璃棒將氣泡撥離筆尖，再用燃燒的火柴靠近氣泡，而不能直接在筆尖點(diǎn)燃，防止火星掉入筆筒煤油中引起意外燃燒。

3.5實(shí)驗(yàn)總結(jié)與評(píng)價(jià)

（1）本實(shí)驗(yàn)最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于裝置非常簡(jiǎn)便，用中性筆作為實(shí)驗(yàn)裝置的一部分，拉近了化學(xué)與實(shí)際生活的距離。其可操作性極強(qiáng)，尤其適用于偏遠(yuǎn)山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施較落后的學(xué)校。

（2）將鈉投入試管后，鈉與水接觸出現(xiàn)在煤油中“上下舞動(dòng)”的場(chǎng)景，充分激發(fā)了學(xué)生的思維與想象力，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性，也加深了對(duì)鈉、水、煤油三種物質(zhì)密度相對(duì)大小的認(rèn)識(shí)。

（3）鈉在與水接觸后會(huì)迅速上升，這樣就不會(huì)持續(xù)地產(chǎn)生氣泡，大大減緩了反應(yīng)速率，不斷在筆尖端處涂抹上肥皂水，氣泡間歇性生成，可以重復(fù)多次用爆鳴實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證氣泡，也可在筆尖端處用小試管收集氣體后再檢驗(yàn)。

（4）實(shí)驗(yàn)裝置組裝簡(jiǎn)便，原理簡(jiǎn)單，氣密性良好，實(shí)驗(yàn)成功率很高。不僅適用于教師的演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也可以在教師的指導(dǎo)下選擇合適的筆管自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（5）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動(dòng)有趣。趣味實(shí)驗(yàn)不僅可帶給學(xué)生樂趣，還會(huì)引發(fā)學(xué)生的好奇心，有利于開拓學(xué)生的思維，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。