鈉與高錳酸鉀溶液反應顏色變化的實驗再探究

連青陽 葉永謙 張賢金 嚴業(yè)安

摘要： 針對鈉與高錳酸鉀溶液反應顏色變化的原因解釋可能存在的問題，設(shè)計實驗探究鈉、氫氣、氫氧化鈉等物質(zhì)及溫度、濃度等外在因素對溶液顏色變化的影響，發(fā)現(xiàn)溶液顏色變化的原因主要與溶液中的氫氧化鈉含量及反應溫度有關(guān)。認為鈉并未與溶液中的高錳酸根離子直接反應，不宜將高錳酸鉀溶液的變色作為證據(jù)證明鈉與硝酸鹽溶液反應后存在還原性離子。使用二分法探究氫氧化鈉含量對高錳酸鉀溶液顏色變化的影響，得出溶液顏色變綠的含量界限，印證錳酸根離子只有在強堿性溶液中才能穩(wěn)定存在的結(jié)論。

關(guān)鍵詞： 鈉; 高錳酸鉀溶液; 反應液顏色變化; 反應機理探究

文章編號： 10056629（2022）07006603

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

關(guān)于鈉與鹽溶液反應的探究，李明等老師在“鈉與鹽溶液反應的實驗探究”一文中，深入探究了鈉與高錳酸鉀、硝酸鹽等鹽溶液的反應。通過將鈉投入高錳酸鉀溶液反應，溶液顏色變?yōu)闇\綠色，將其作為鈉可與高錳酸鉀溶液反應得到錳酸鉀的證據(jù)。使用高錳酸鉀溶液檢驗鈉與硝酸鹽溶液反應的產(chǎn)物，通過觀察到溶液變?yōu)闇\綠色，將其作為鈉可與硝酸鹽溶液反應、產(chǎn)物中有還原性離子的證據(jù)[1]。羅瑪老師認為，識別、篩選證據(jù)，應用、評價證據(jù)是科學探究和科學實踐的重要環(huán)節(jié)[2];“證據(jù)”是可獲得的事實與信息，既有本身的固有屬性，也存在變化發(fā)展的潛在可能，因此證據(jù)具有復雜性的特點[3]。上述探究將高錳酸鉀溶液顏色變?yōu)闇\綠色作為證據(jù)，推理出鈉能與高錳酸鉀溶液、硝酸鹽溶液直接反應的結(jié)論。但高錳酸鉀在堿性條件下也具有氧化性[4]，其褪色是否與堿性條件有關(guān)？如果與堿性條件有關(guān)，那么金屬鈉是否與溶液中的高錳酸鉀直接反應的問題就值得再深入探討了。

2 鈉與高錳酸鉀溶液反應的再探究

關(guān)于鈉與鹽溶液反應過程，通常認為是鈉先與水反應生成氫氧化鈉，氫氧化鈉再與溶液中的鹽發(fā)生反應。但當鈉與固態(tài)粉末狀的鹽反應時，可能出現(xiàn)鈉與鹽直接反應的情況。比如將鈉放在石棉網(wǎng)上，使用無水硫酸銅粉末將其覆蓋，加熱后生成暗紅色帶有金屬光澤的單質(zhì)銅，說明鈉與硫酸銅直接反應了。將鈉投入高錳酸鉀溶液中，鈉接觸到更多的是溶液中的水分子，要與溶液中的高錳酸根離子直接反應并使其褪色似乎難以實現(xiàn)。如果不是鈉將溶液中的高錳酸根離子直接還原，那導致溶液變?yōu)闇\綠色的物質(zhì)只剩下鈉與水反應生成的氫氣和氫氧化鈉了。

2.1 探究氫氣對高錳酸鉀溶液變色的影響

要探究鈉與高錳酸鉀溶液中的水反應生成的氫氣是否能使該溶液褪色，首先要收集到氫氣。但鈉與水反應太劇烈，必須控制反應速率。李明老師采用紗布包裹鈉塊間歇性與水接觸的辦法進行控制[5]，但無法觀察到鈉塊的變化。本實驗使用502膠水對鈉球表面進行處理，通過控制鈉與水的接觸面積，可以達到較好效果[6]。具體處理方法如下： 將鈉球切成邊長為10mm的立方體，浸泡在502膠水中（膠水可以倒在礦泉水瓶蓋中）。一小段時間后取出，在空氣中晾干，此時鈉塊表面形成一層透明的502膠皮。用針頭在膠皮上挖一小孔讓金屬鈉露出來，金屬鈉通過該小孔與水反應，可觀察到有連續(xù)的氫氣氣泡從小孔冒出。

實驗開始后，往廣口瓶中加入高錳酸鉀溶液至靠近瓶口處，將502膠水處理后的鈉塊投入該溶液中，立即塞上單孔橡皮塞，使用玻璃導管將產(chǎn)生的氫氣通入盛放高錳酸鉀溶液的燒杯中。鈉與廣口瓶中的高錳酸鉀溶液接觸后反應，挖孔處不斷冒出氣泡，生成的氫氣連續(xù)通入燒杯中的高錳酸鉀溶液并無褪色現(xiàn)象發(fā)生，反而是廣口瓶中的高錳酸鉀溶液顏色逐漸變?yōu)闇\綠色（見圖1）。

上述實驗中，氫氣無法使高錳酸鉀溶液褪色，說明氫氣不是導致鈉與高錳酸鉀溶液接觸后溶液褪色的原因。廣口瓶中的溶液由紫紅色變?yōu)闇\綠色，說明有兩種可能： 一是鈉直接與高錳酸根離子反應導致其變色;二是反應產(chǎn)物氫氧化鈉的生成導致其變色。如果能證實氫氧化鈉可使高錳酸鉀溶液變色，則鈉能直接與溶液中高錳酸根離子反應的說法就值得商榷了。

2.2 探究氫氧化鈉對高錳酸鉀溶液變色的影響

重復李明等老師的實驗，將綠豆大小的鈉塊投入濃度較小的高錳酸鉀溶液中[7]，發(fā)現(xiàn)紫紅色變?yōu)闊o色，并未出現(xiàn)淺綠色，但顏色有變化是共同的事實。為了探究產(chǎn)物氫氧化鈉對溶液顏色變化的影響，先讓綠豆大小的鈉塊與水反應，待鈉塊完全消失，再滴入高錳酸鉀溶液，玻璃棒攪拌后，紫紅色褪去。

上述往金屬鈉完全消失后的溶液中滴入高錳酸鉀，紫紅色仍然褪去，說明氫氧化鈉的生成確實影響了高錳酸鉀溶液的顏色變化。北京師范大學等校無機化學教研室編寫的《無機化學》（下冊，第四版）明確指出，在堿性溶液中，高錳酸根離子可以分解為錳酸根離子和氧氣，反應的化學方程式如下： 4KMnO4+4KOH

4K2MnO4+O2↑+2H2O[8]。本實驗通過改變高錳酸鉀加入的順序，獲得了氫氧化鈉可以影響高錳酸鉀溶液顏色變化的證據(jù)，說明李明等老師關(guān)于鈉可與溶液中的高錳酸根離子直接反應的結(jié)論，以及使用高錳酸鉀溶液可驗證鈉與硝酸鹽反應后溶液中存在還原性離子的說法[9]，還需要繼續(xù)探討。

2.3 探究溫度對高錳酸鉀溶液變色的影響

以上兩個實驗中，使用相同濃度的高錳酸鉀溶液與綠豆大小的鈉塊反應，502膠水處理的鈉塊反應后溶液呈淺綠色，表面無處理的鈉塊反應后溶液幾乎無色。在濃度相同的條件下，影響高錳酸鉀溶液變色的因素還有什么？李明等老師認為與反應的劇烈程度有關(guān)，反應越劇烈就越容易出現(xiàn)淺綠色[10]。上述兩個實驗的差別在于是否用502膠水處理鈉塊表面，502膠水處理后的鈉塊反應放出的熱量更不易散失，使鈉塊溫度可以迅速升高熔化，最后導致溶液變?yōu)闇\綠色。為了探究溫度對反應后溶液顏色的影響，取濃度相同的三杯高錳酸鉀溶液，第一杯作為對照，第二杯加入502膠水處理后挖小孔的綠豆大小鈉塊，第三杯直接加入綠豆大小的鈉塊。反應開始后，第二杯鈉塊挖孔處不斷冒出氣泡，一段時間后鈉塊熔成銀白色的小球，瞬間火星四射，溶液最后變?yōu)闇\綠色。第三杯溶液中的鈉塊表面始終覆蓋著一層白色固體，并未出現(xiàn)劇烈的燃燒現(xiàn)象，溶液最終變?yōu)闇\紫色。通過對照實驗，獲得顏色變化的直觀證據(jù)，說明溶液是否變?yōu)闇\綠色還與反應的溫度有關(guān)，即4KMnO4+4KOH

4K2MnO4+O2↑+2H2O的反應限度隨著溫度的升高而增大。

3 探究使高錳酸鉀溶液變綠色的氫氧化鈉含量界限

上述實驗的結(jié)果是氫氧化鈉的存在可以使高錳酸鉀溶液顏色發(fā)生變化，但變化的結(jié)果出現(xiàn)了淺紫色、幾乎無色或淺綠色等情況。由于溶液中高錳酸根離子呈紫紅色而錳酸根離子呈綠色，溶液顏色的變化與二者濃度的大小有關(guān);氫氧化鈉的加入可與高錳酸根離子反應，引起其濃度下降而錳酸根離子濃度升高，最終導致溶液由紫紅色變?yōu)榫G色。李明等老師往少量高錳酸鉀溶液中多次加入芝麻大小的鈉粒，發(fā)現(xiàn)隨著鈉粒的不斷加入，溶液逐漸由紫紅色變?yōu)樯罹G色[11]，印證了以上推理。那么，使高錳酸鉀溶液變綠色的氫氧化鈉含量界限是多少？通過二分法設(shè)計定量實驗可以解決該問題。具體步驟如下： 首先，按照控制變量法的要求配制1000mL 0.001mol·L-1高錳酸鉀溶液，平均分成10份倒入燒杯中（每份100mL）。由于該實驗是試探性的，試探次數(shù)需要足夠多才能找到顏色變化界限，因此相同濃度的溶液配制了10份。然后，準備不同物質(zhì)的量的氫氧化鈉固體加入其中溶解觀察顏色變化進行試探。試探時先準確稱取0.10mol、 1.00mol氫氧化鈉兩份固體分別加入兩份高錳酸鉀溶液中，發(fā)現(xiàn)1.00mol可以使溶液變?yōu)樯罹G色而0.10mol不能;以0.10mol和1.00mol為邊界，采用二分法取其近似中間量0.50mol進行試探，發(fā)現(xiàn)可以使溶液變綠色;再以0.10mol和0.50mol為邊界，取其中間量0.30mol進行試探，發(fā)現(xiàn)不能使溶液變綠色。此時，不能變綠色的邊界是0.30mol，能變綠色的邊界是0.50mol，再取二者中間量0.40mol進行試探，發(fā)現(xiàn)溶液不能變綠色;再以0.40mol和0.50mol的中間量0.45mol進行試探，溶液變綠色。最終得出對于所述100mL 0.001mol·L-1高錳酸鉀溶液，能使其顏色剛好變?yōu)榫G色的氫氧化鈉固體物質(zhì)的量為0.45mol。這個結(jié)論與《無機化學》中“錳酸鉀只有在pH>14.4的強堿性條件下才能穩(wěn)定存在”的表述基本吻合[12]。

4 實驗總結(jié)

影響鈉與高錳酸鉀溶液反應顏色變化的因素主要有兩個： 一是溶液中氫氧化鈉的含量，二是反應溫度。鈉未與溶液中的高錳酸根離子直接反應，高錳酸根離子與氫氧化鈉反應生成錳酸根離子是導致溶液變綠色的主要原因。因而不宜將高錳酸鉀溶液的變色作為證據(jù)，用于證明鈉與硝酸鹽溶液反應后存在還原性離子。

在《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》的課程目標中，“學會收集各種證據(jù)，對物質(zhì)的性質(zhì)及其變化提出可能的假設(shè);基于證據(jù)進行分析推理，證實或證偽假設(shè);能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，確定形成科學結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑”是對發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)的重要要求[13]。以上探究基于鈉與高錳酸鉀溶液反應顏色變化的原因問題，從化學反應原理的角度提出可能影響顏色變化的物質(zhì)有鈉、氫氣、氫氧化鈉等;從外界因素的角度提出可能影響的因素有溫度、濃度等。通過設(shè)計實驗探究不同物質(zhì)及外界條件對溶液顏色變化的影響，特別是往鈉與水完全反應后的溶液中再滴入高錳酸鉀溶液的實驗，獲得了即便沒有金屬鈉，溶液也會變色的重要證據(jù);鈉并未與稀溶液中的高錳酸根離子直接反應，鈉與水反應生成的氫氧化鈉才是導致溶液變綠色的主要原因，探究過程有利于培養(yǎng)學生的證據(jù)意識及獨立思考、敢于質(zhì)疑的品格[14]。實驗中巧用502膠水控制金屬鈉與水接觸的表面積，與表面未處理的相同大小的鈉塊，分別投入相同濃度的高錳酸鉀溶液中，得出溫度高有利于溶液變?yōu)榫G色的結(jié)論，對照方案和鈉表面處理的設(shè)計有利于培養(yǎng)學生勤于實踐、勇于創(chuàng)新的精神。使用二分法探究氫氧化鈉含量對高錳酸鉀溶液顏色變化的影響，得出使溶液顏色變綠的界限，實驗過程有利于引導學生主動建構(gòu)“定量”概念，形成定量研究的科學思維和習慣[15]，培養(yǎng)學生嚴謹求實的科學態(tài)度，從而提高化學學科核心素養(yǎng)。

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