關(guān)于乙醇與鈉反應(yīng)產(chǎn)生氣體成分的實(shí)驗(yàn)探究

陳林

摘要：圍繞基本問(wèn)題“如何探究乙醇與鈉反應(yīng)產(chǎn)生的氣體成分”將實(shí)驗(yàn)探究分為3個(gè)組成部分：制備并收集氣體、改進(jìn)氣體檢驗(yàn)裝置和優(yōu)選氣體凈化裝置，并依次展開(kāi)實(shí)證研究;實(shí)驗(yàn)表明：用注射器作為乙醇與鈉反應(yīng)的簡(jiǎn)易裝置，并在針頭位置安裝填充浸有酸性K2Cr2O7溶液硅膠的尖嘴導(dǎo)管可以有效地除去氣體中的乙醇蒸汽，用CO2傳感器可以更準(zhǔn)確評(píng)估乙醇蒸汽的凈化效果從而確定氣體的成分。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)探究;注射器;CO2傳感器;酸性K2Cr2O7溶液

文章編號(hào)：1008-0546（2022）02x-0085-04

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.022

一、研究背景

乙醇是必修2“生活中常見(jiàn)的有機(jī)物”的典型代表物質(zhì)，乙醇與鈉的反應(yīng)是乙醇的重要化學(xué)性質(zhì)。人教版新教材必修2中闡述了“在試管內(nèi)完成乙醇與鈉反應(yīng)，塞上帶有尖嘴導(dǎo)管的橡皮塞，然后通過(guò)點(diǎn)燃法以檢驗(yàn)產(chǎn)生的氫氣”的實(shí)驗(yàn)方案[1]。該方案能較好地觀察乙醇與鈉反應(yīng)部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但點(diǎn)燃?xì)怏w之前須多次驗(yàn)純，操作較為繁瑣。鄭志萍和衷明華[2]、李猛和王世存[3]、楊曉潔和程萍[4]，謝惠春和李共佳[5]，都對(duì)乙醇與鈉反應(yīng)的簡(jiǎn)易裝置做了深入研究，分別建議用注射器、青霉素瓶子和尖嘴導(dǎo)管、燒杯和連有針頭的干燥管做乙醇與鈉反應(yīng)的微型容器。還有不少研究指出，乙醇與鈉反應(yīng)產(chǎn)生的氣體中含有乙醇蒸汽并對(duì)吸收乙醇蒸汽的藥品做了探究。周如磊[6]建議在反應(yīng)的試管后分別連接裝有水和濃硫酸的試管以除去乙醇蒸汽并干燥氣體;吳國(guó)鋒[7]建議用裝有無(wú)水CaCl2的干燥管連接在試管上、謝惠春和李共桂[5]提出用浸有酸性重鉻酸鉀的硅膠填充干燥管，以除去乙醇蒸汽。

以上研究為乙醇與鈉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)上述改進(jìn)裝置省略了驗(yàn)純，能很好地解決教材實(shí)驗(yàn)中氣體不易點(diǎn)燃的問(wèn)題;但謝惠春和李共佳[5]提出用浸有酸性重鉻酸鉀的硅膠或無(wú)水CaCl2填充干燥管以除去乙醇蒸汽，重復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻不盡如人意：填充無(wú)水CaCl2或浸有酸性重鉻酸鉀的硅膠后，氫氣氣流不通暢、點(diǎn)燃獲得的火焰極微弱、易熄滅，不能客觀評(píng)估乙醇蒸汽的凈化效果?！翱茖W(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)仳?yàn)證乙醇與鈉反應(yīng)產(chǎn)生的氣體成分”的問(wèn)題并未得到妥善解決。

二、研究思路

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是知識(shí)教學(xué)的一部分，應(yīng)當(dāng)承擔(dān)知識(shí)教學(xué)的本體價(jià)值和素養(yǎng)發(fā)展價(jià)值[8]。新課標(biāo)內(nèi)容要求“以乙醇為例認(rèn)識(shí)有機(jī)化合物中的官能團(tuán)”，“認(rèn)識(shí)乙醇的結(jié)構(gòu)及其主要性質(zhì)與應(yīng)用，知道氧化等有機(jī)反應(yīng)類型”。教材中首次提出官能團(tuán)概念?？梢?jiàn)，高一必修階段乙醇的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，應(yīng)以發(fā)展研究有機(jī)物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的一般思路為中心，以實(shí)驗(yàn)探究乙醇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系為載體，建立官能團(tuán)的概念并幫助學(xué)生深化對(duì)官能團(tuán)與有機(jī)物性質(zhì)關(guān)系的理解。

于乙醇與鈉反應(yīng)而言，則需宏觀比較乙醇、水分別與鈉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、微觀辨析兩者結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，預(yù)測(cè)氣體產(chǎn)物為氫氣并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而推理出乙醇與乙烷的性質(zhì)差異是由羥基的存在決定的，進(jìn)而深入理解官能團(tuán)對(duì)有機(jī)物性質(zhì)的決定作用，發(fā)展宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)等素養(yǎng)目標(biāo)。

為落實(shí)以上教學(xué)功能，可圍繞“探究乙醇與鈉反應(yīng)產(chǎn)生的氣體成分”中心問(wèn)題展開(kāi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。具體而言，需要回答：如何簡(jiǎn)便地制備并收集氣體？怎樣高效地凈化氣體和可靠地檢驗(yàn)氣體？等3個(gè)子問(wèn)題。

三、實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程

1.探索易點(diǎn)燃的反應(yīng)裝置

【實(shí)驗(yàn)1】用注射器收集乙醇與鈉反應(yīng)產(chǎn)生的氣體并點(diǎn)燃（見(jiàn)圖1）。

【實(shí)驗(yàn)儀器和藥品】

無(wú)水乙醇、鈉、鑷子、小刀、濾紙、玻璃片、酒精燈、火柴、100mL燒杯、注射器、針頭。

【實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象】

（1）取一個(gè)10mL的注射器，拔出活塞和針頭，向針筒中加入一塊剛從煤油中取出并吸干表面煤油、切除氧化層的黃豆大小的金屬鈉，塞上活塞，推到底以排盡針筒內(nèi)的空氣。

（2）向100mL燒杯中倒入少許無(wú)水乙醇，用針筒吸入6mL無(wú)水乙醇，發(fā)現(xiàn)金屬鈉表面立即有大量氣泡，鈉沉入乙醇底部并上下浮動(dòng);有液體滴入燒杯內(nèi)，針筒內(nèi)液面下降。

（3）待液體排盡后，裝上針頭;點(diǎn)燃?xì)怏w，一只手緩慢推動(dòng)活塞直至底部，氣體安靜燃燒，火焰呈亮黃色。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】用注射器做乙醇與鈉的反應(yīng)容器，相較于試管反應(yīng)無(wú)需驗(yàn)純、操作簡(jiǎn)單安全、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯著、成功率高，通過(guò)調(diào)節(jié)推動(dòng)活塞的速度，可以獲得穩(wěn)定的氣流以支持氣體的燃燒;且注射器有刻度，通過(guò)調(diào)節(jié)吸入無(wú)水乙醇的體積可以控制收集氣體的體積，能滿足定量分析和比較研究的需求。

另外，還可以選用青霉素瓶子和尖嘴導(dǎo)管、燒杯和連有針頭的干燥管作反應(yīng)容器，但這2種實(shí)驗(yàn)方案存在以下現(xiàn)象：隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鈉變小，反應(yīng)速率減慢，氣體燃燒的火焰不穩(wěn)定，甚至鈉很大，火焰也會(huì)熄滅;若裝上凈化裝置，氣流不通暢，難以持續(xù)燃燒。故本研究選擇注射器作為乙醇與鈉的反應(yīng)裝置進(jìn)行氣體成分探究。

2.改進(jìn)氣體的檢驗(yàn)裝置

【實(shí)驗(yàn)2-1】“澄清石灰水”法檢驗(yàn)氣體燃燒的產(chǎn)物。

【實(shí)驗(yàn)儀器和藥品】無(wú)水乙醇、鈉、鑷子、小刀、濾紙、玻璃片、酒精燈、火柴、100mL燒杯、注射器、針頭、澄清石灰水、膠頭滴管。

【實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象】用注射器作為反應(yīng)容器收集產(chǎn)生的氣體，點(diǎn)燃?xì)怏w并在火焰上方罩一個(gè)干冷的小燒杯，燒杯內(nèi)壁有水霧，迅速正立燒杯，加入1mL澄清石灰水，振蕩未看到石灰水變渾濁，但是30秒左右石灰水顯著變渾濁，見(jiàn)圖2。

【質(zhì)疑】是空氣中的CO2使石灰水變渾濁嗎？

【驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)】在培養(yǎng)皿中滴入1mL澄清石灰水，靜置，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。片刻后，石灰水表層出現(xiàn)“膜”，搖一搖培養(yǎng)皿，變渾濁，見(jiàn)圖3。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】空氣中CO2可以使少許石灰水變渾濁，因而在空氣中用少許澄清石灰水來(lái)檢驗(yàn)可燃性氣體燃燒產(chǎn)物中是否含二氧化碳，結(jié)論并不可靠。那么轉(zhuǎn)換思路：能否測(cè)量點(diǎn)燃?xì)怏w前后CO2的濃度變化以排除空氣中CO2的干擾？

【實(shí)驗(yàn)2-2】“CO2傳感器”法檢驗(yàn)氣體燃燒的產(chǎn)物

【實(shí)驗(yàn)儀器和藥品】無(wú)水乙醇、鈉、鑷子、小刀、濾紙、玻璃片、酒精燈、火柴、100mL燒杯、注射器、針頭、CO2傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦、漏斗、鐵架臺(tái)、導(dǎo)管和橡皮管若干。

【實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象】

（1）將CO2傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦用導(dǎo)管和橡皮管連接在漏斗上，如圖4所示，打開(kāi)朗威DISLab軟件，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，此時(shí)測(cè)得數(shù)據(jù)為空氣中CO2的濃度，其值為375ppm左右;

（2）用注射器吸入6mL無(wú)水乙醇，與金屬鈉反應(yīng)，收集產(chǎn)生的氣體;

（3）點(diǎn)燃?xì)怏w，并將火焰移進(jìn)已連接好CO2傳感器的漏斗下方，同時(shí)緩緩?fù)苿?dòng)活塞，使氣體持續(xù)燃燒;

（4）觀察現(xiàn)象：片刻后漏斗有明顯“水霧”。CO2傳感器數(shù)據(jù)表明，點(diǎn)燃?xì)怏w后，CO2濃度陡升至700ppm;火焰熄滅后，CO2濃度緩慢回落至初始值（見(jiàn)圖4）。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】

（1）點(diǎn)燃后CO2濃度顯著增大證明該氣體燃燒生成了大量的CO2，間接說(shuō)明氫氣中可能存在大量乙醇蒸汽。若要檢驗(yàn)氫氣的存在，應(yīng)該在氣體點(diǎn)燃前增加氣體凈化裝置，吸收其中的乙醇。

（2）采用CO2傳感器測(cè)量CO2的濃度變化，不僅可以排除空氣中CO2對(duì)氫氣檢驗(yàn)的干擾，而且測(cè)量靈敏、數(shù)據(jù)可靠，能從CO2濃度的變化了解氣體中乙醇含量大小，可以作為評(píng)價(jià)除去乙醇蒸汽效果的依據(jù)之一。

3.優(yōu)選氣體的凈化裝置

【實(shí)驗(yàn)3】比較水、無(wú)水CaCl2、酸性K2Cr2O7溶液吸收乙醇蒸汽的效果。

【實(shí)驗(yàn)儀器和藥品】蒸餾水、無(wú)水CaCl2、酸性重鉻酸鉀溶液（0.5mol/LK2Cr2O7溶液與49%硫酸1∶1混合）、棉花、硅膠、培養(yǎng)皿、短尖嘴導(dǎo)管、生料帶和鑷子，其余同實(shí)驗(yàn)2-2。

【實(shí)驗(yàn)因素控制】為比較不同試劑及裝置去除乙醇蒸汽的效果，需要控制一些實(shí)驗(yàn)要素：

（1）收集相同體積的氣體，可通過(guò)吸入等體積的乙醇（6mL）與足量鈉反應(yīng);

（2）使用相同大小的尖嘴導(dǎo)管;

（3）使用同一套CO2傳感器裝置檢測(cè)氣體燃燒產(chǎn)生的CO2濃度;

（4）氣體燃燒時(shí)，用相似的速度推送注射器活塞使氣體的流速大致相同。

【凈化裝置的構(gòu)成】以酸性K2Cr2O7溶液凈化裝置為例，在尖嘴導(dǎo)管中依次填充干燥的棉花、浸有酸性重鉻酸鉀溶液的硅膠和棉花。前端干燥的棉花的作用除了干燥氫氣以外，還能防止硅膠堵塞尖嘴以致氣流不暢，吸收多余溶液，防止推動(dòng)活塞時(shí)有液體噴出使火焰熄滅。后端的棉花主要用于防止試劑或藥品堵塞注射器出口，也能吸收部分乙醇蒸汽。無(wú)水CaCl2固體和水作凈化試劑具體填充方式如圖5所示。

【實(shí)驗(yàn)步驟】

（1）用注射器吸入6mL無(wú)水乙醇與足量金屬鈉反應(yīng)并收集氣體;

（2）在尖嘴導(dǎo)管中用鑷子依次裝上干燥的棉花、浸有酸性重鉻酸鉀溶液的硅膠和棉花，如圖6;

（3）待氣體收集完畢，將尖嘴導(dǎo)管連接在注射器針頭位置;

（4）點(diǎn)燃?xì)怏w，緩?fù)谱⑸淦骰钊?立即將火焰移至已連接好CO2傳感器等裝置的漏斗下方;

（5）觀察現(xiàn)象。重復(fù)實(shí)驗(yàn)2-3次，并錄制視頻，保存數(shù)據(jù);

（6）更換步驟2凈化試劑為“水”、“無(wú)水CaCl2”，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，比較它們凈化乙醇蒸汽的效果，實(shí)物圖見(jiàn)圖6。

【評(píng)價(jià)指標(biāo)】

（1）氣體燃燒時(shí)火焰的顏色與大小;

（2）漏斗上水霧大小;

（3）CO2傳感器測(cè)得的點(diǎn)燃前后CO2濃度的變化。

其中，CO2傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)為定量指標(biāo)，是評(píng)價(jià)3種凈化裝置效果的最為有效的重要依據(jù)。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論】

當(dāng)凈化裝置填充的是浸有酸性K2Cr2O7溶液的硅膠和棉花時(shí)，點(diǎn)燃?xì)怏w，火焰仍呈亮黃色，但較未加凈化裝置的小一些，漏斗上有細(xì)微水霧;浸有酸性K2Cr2O7溶液的棉花中有氣泡，1.5min后橙色的棉花及硅膠轉(zhuǎn)變?yōu)榛揖G色，這一現(xiàn)象直接證明了氣體中乙醇蒸汽的存在;CO2傳感器測(cè)得其濃度由空氣中的366ppm左右，點(diǎn)燃?xì)怏w后緩慢升高至464ppm，最后緩慢回落，見(jiàn)圖7，可見(jiàn)該凈化方案乙醇去除率高達(dá)98.5%。另外從傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)及水霧的程度來(lái)看：無(wú)水CaCl2去除乙醇的效果不及水理想，二者乙醇去除率分別為84.1%和96.6%。（見(jiàn)表1）

說(shuō)明：（1）未使用凈化裝置6mL氣體燃燒CO2傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)為7000ppm，此時(shí)空氣中CO2測(cè)得的數(shù)據(jù)為366ppm左右;（2）多次實(shí)驗(yàn)操作致使空氣中CO2濃度基礎(chǔ)值會(huì)有稍許上下浮動(dòng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要靜待傳感器數(shù)值回歸366ppm左右開(kāi)始實(shí)驗(yàn);（3）乙醇去除率計(jì)算方法：（7000-安裝凈化劑后測(cè)得CO2濃度峰值）（/7000-366）*100%。

四、教學(xué)建議

1.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題情境，激發(fā)認(rèn)知沖突

沒(méi)有問(wèn)題，就沒(méi)有探究與創(chuàng)新。在探究乙醇與鈉反應(yīng)產(chǎn)生的氣體成分的過(guò)程中會(huì)生成許多真實(shí)情境問(wèn)題，如“乙醇與鈉反應(yīng)生成氫氣，為什么其氣體燃燒能使澄清石灰水變渾濁？”、“CO2傳感器數(shù)據(jù)表明乙醇與鈉反應(yīng)產(chǎn)生的氣體燃燒后產(chǎn)生大量的CO2，為什么？”，教師可深入挖掘、細(xì)化問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)和分析過(guò)程，幫助學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)與分析過(guò)程，強(qiáng)化問(wèn)題意識(shí)，走好探究的第一步。

2.實(shí)驗(yàn)操作與證據(jù)推理并重

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師不僅要關(guān)注學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程及水平，更要帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)如何將實(shí)驗(yàn)方案設(shè)想轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)事實(shí)，如何處理預(yù)設(shè)與證據(jù)之間的“沖突”;基于證據(jù)的分析推理過(guò)程應(yīng)注重思維的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性及系統(tǒng)性，當(dāng)證據(jù)不足時(shí)，如何創(chuàng)造條件以獲取證據(jù)。實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)操作與科學(xué)思維緊密結(jié)合、相互促進(jìn)，使探究步步深入、引人入勝，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)深度教學(xué)的發(fā)生。

3.以評(píng)價(jià)促反思，以反思促創(chuàng)新

客觀地記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較評(píng)價(jià)，能幫助我們更好地反思實(shí)驗(yàn)過(guò)程，有利于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。比如為了獲得更客觀地?cái)?shù)據(jù)，比較不同凈化試劑對(duì)乙醇蒸汽的凈化效果，研究中對(duì)每一個(gè)試劑的凈化實(shí)驗(yàn)都采用多次實(shí)驗(yàn)并錄制視頻加以觀察的方式。只有認(rèn)真地落實(shí)科學(xué)探究中的基于證據(jù)的評(píng)價(jià)與反思，才能將實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)的孕育落到實(shí)處！

五、遺留問(wèn)題

經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：不論乙醇與鈉反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣是否經(jīng)過(guò)凈化，其燃燒的火焰均呈亮黃色，而非淡藍(lán)色;浸有酸性重鉻酸鉀溶液的棉花或?yàn)V紙條在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中放置的過(guò)程中會(huì)自發(fā)緩慢變成綠色，其變色比直接與乙醇作用要慢，而浸泡在酸性重鉻酸鉀溶液的硅膠卻不易變色。這些問(wèn)題仍值得我們進(jìn)一步探討與研究。

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