鈉與水反應(yīng)現(xiàn)象之原因探究

師棋　孫曉春

摘要： 以具支U型管為主要儀器，設(shè)計(jì)一套既能檢驗(yàn)反應(yīng)產(chǎn)物又能多角度解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的鈉與水反應(yīng)的一體化裝置。在具支U型管中加入煤油和水，兩側(cè)分別投入一小塊金屬鈉形成對比，感知鈉與水反應(yīng)的劇烈程度；兩側(cè)分別加入兩小塊金屬鈉，探明鈉為什么會“熔”成小球，將熔融概念可視化。在U型管中加入蓖麻油驗(yàn)證密度因素是使鈉“浮”在水面上的原因之一。

關(guān)鍵詞： 鈉與水反應(yīng)； 對照實(shí)驗(yàn)； 一體化實(shí)驗(yàn)裝置； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號： 10056629（2023）11007604 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

鈉與水的反應(yīng)是高中階段學(xué)生的第一個探究實(shí)驗(yàn)。高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)：教師在教學(xué)中要整體規(guī)劃實(shí)驗(yàn)及探究教學(xué)，發(fā)揮典型實(shí)驗(yàn)探究活動的作用，改變在實(shí)驗(yàn)中只注重動手但缺少思考的現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)高級思維過程，重視開展高水平的實(shí)驗(yàn)探究活動［1］。在教學(xué)中有效引導(dǎo)學(xué)生對鈉與水反應(yīng)產(chǎn)物的探究及其反應(yīng)現(xiàn)象做出合理、全面的解釋尤為重要。通過對人教版1983版［2］、2002版［3］、2004版［4］、2019版［5］四個版本教材（見表1）中鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的梳理分析，發(fā)現(xiàn)1983版反應(yīng)產(chǎn)物、產(chǎn)物檢驗(yàn)、現(xiàn)象描述及解釋等直接給出；2002版指明了產(chǎn)物的檢驗(yàn)方法進(jìn)而推導(dǎo)出產(chǎn)物，“討論部分”注意引導(dǎo)學(xué)生觀察、解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；2004版沒有涉及氣體的收集與檢驗(yàn)，“觀察提示部分”增加了熱量的視角；2019版從預(yù)測、實(shí)驗(yàn)、結(jié)論三個環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)探究的重要性，通過產(chǎn)物預(yù)測、實(shí)驗(yàn)得出，符合新課標(biāo)的理念，但沒有提及氣體的收集與檢驗(yàn)。綜上所述，可從這四個版本的教材發(fā)現(xiàn)以下問題：（1）前三版教材探究傾向不明顯；（2）鈉浮在水面上都從密度的角度進(jìn)行解釋，會不會是因?yàn)橛袣怏w產(chǎn)生而使鈉浮在水面上；（3）鈉的形狀變成小球都從反應(yīng)放熱的角度進(jìn)行解釋，會不會是因?yàn)殁c的消耗導(dǎo)致了鈉的形狀發(fā)生改變；（4）反應(yīng)放熱沒有可視化；（5）最新兩版教材都沒有氫氣的收集與檢驗(yàn)。

2 鈉與水反應(yīng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究

查閱大量文獻(xiàn)，不少學(xué)者和一線教師對鈉與水的反應(yīng)作了進(jìn)一步的研究。在驗(yàn)證產(chǎn)物氫氣方面：畢曉昀等通過文獻(xiàn)研究歸納并設(shè)計(jì)出簡單便捷、可控性強(qiáng)、安全的檢驗(yàn)裝置［6］。關(guān)于溫度可視化：孟恬靜利用感溫勺子，將溫度變化實(shí)現(xiàn)了可視化［7］，但市售感溫勺子過大，裝置不易搭建；李順巧等通過紅外熱成像儀測出反應(yīng)溫度從最初的20℃迅速升高到反應(yīng)最劇烈時的72℃［8］，但該實(shí)驗(yàn)對現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)儀器要求較高。為了使鈉與水的反應(yīng)現(xiàn)象明顯，有學(xué)者利用煤油減緩反應(yīng)速率：鞏永銳等用中性筆設(shè)計(jì)裝置［9］，使鈉與水反應(yīng)現(xiàn)象明顯，趣味性強(qiáng)，拉近了化學(xué)與生活的距離，實(shí)驗(yàn)儀器易得，但在實(shí)驗(yàn)中，隨著鈉在水層和煤油層之間不斷跳動，鈉的表面包裹著煤油，阻礙了鈉與水的進(jìn)一步反應(yīng)，難以觀察到鈉熔成小球，氣體也不易收集和檢驗(yàn)。關(guān)于鈉“浮”在水面上：謝清秀提出氣體與密度均是影響鈉浮在水面上的因素，并采用密度為1的苯和四氯化碳的混合液進(jìn)行驗(yàn)證［10］，但苯和四氯化碳易揮發(fā)且有毒，不符合綠色化學(xué)理念。

3 鈉與水的反應(yīng)改進(jìn)

鑒于此，本實(shí)驗(yàn)以具支U型管為主要儀器，集中探究鈉與水的反應(yīng)產(chǎn)物；采用水銀溫度計(jì)，以實(shí)現(xiàn)溫度可視化；加入煤油作為對照組實(shí)驗(yàn)，以減緩反應(yīng)速率，使反應(yīng)現(xiàn)象明顯；根據(jù)液體的特點(diǎn)，采用對照實(shí)驗(yàn)，解決鈉“熔”成小球的疑惑；利用市售蓖麻油（ρ≈0.98g/cm3）不與水反應(yīng)及其密度特點(diǎn)，探明鈉“浮”在水面上的原因。最終設(shè)計(jì)出一套既能檢驗(yàn)反應(yīng)產(chǎn)物又能多角度解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的鈉與水反應(yīng)的一體化裝置。

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

鐵架臺、具支U型管、水銀溫度計(jì)、蒸發(fā)皿、橡膠管、金屬鈉、煤油、蓖麻油（ρ≈0.98g/cm3）、酚酞溶液、肥皂水、蒸餾水等

3.2 鈉與水反應(yīng)產(chǎn)物的探究及新問題的提出

實(shí)驗(yàn)裝置及操作：在具支U型管中加入適量滴有酚酞的蒸餾水，具支U型管左側(cè)加入一定量煤油，右側(cè)支管連有氣體收集檢驗(yàn)裝置，同時將兩塊綠豆大?。ㄐ螤?、大小相同）的金屬鈉分別放入具支U型管兩側(cè)，右側(cè)上口立即插上水銀溫度計(jì)，如圖1所示。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，片刻后，點(diǎn)燃收集到的氣體，得到圖2所示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：右側(cè)溫度計(jì)讀數(shù)升高，點(diǎn)燃收集到的氣體，有爆鳴聲；鈉塊形狀不同：U型管左側(cè)鈉塊的形狀幾乎沒有發(fā)生改變，右側(cè)鈉塊變成小球；鈉的運(yùn)動狀態(tài)不同：U型管左側(cè)鈉在煤油層和水層之間來回跳動，右側(cè)鈉浮在水面上；酚酞溶液變紅的面積不同：右側(cè)變紅的面積多于左側(cè)變紅的面積。

得出結(jié)論：（1）鈉與水反應(yīng)放熱，有氫氣和堿性物質(zhì)生成。（2）反應(yīng)消耗鈉不是鈉塊變成小球的原因。（3）反應(yīng)產(chǎn)生氣體，是鈉“浮”在水面上的因素之一。（4）鈉在水中比鈉在煤油層和水層之間的反應(yīng)更劇烈。

提出問題：（1）同是鈉與水反應(yīng)，為什么鈉的形狀在水中會變成小球，而在煤油層和水層之間幾乎不發(fā)生改變？（2）在氣體的作用下，鈉在煤油層和水層之間來回跳動，如何排除氣體因素直接證明鈉的密度比水小也是鈉“浮”在水面上的原因？

3.3 鈉與水反應(yīng)現(xiàn)象——“熔”的原因探究

實(shí)驗(yàn)裝置及操作：在具支U型管中加入適量蒸餾水，具支U型管左側(cè)加入適量煤油，同時各將兩塊綠豆大?。ㄐ螤?、大小相同）的金屬鈉分別放入具支U型管兩側(cè)（共4塊鈉），得到圖3所示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：U型管左側(cè)兩塊鈉為塊狀，各自獨(dú)立地在煤油層和水層之間來回跳動，且沒有熔合成一塊；右側(cè)試管中兩塊鈉逐漸熔合成一塊，且形狀變成小球，最終消失。

現(xiàn)象解釋：類比荷葉上的小水珠相遇后會匯聚形成大水珠，在U型管右側(cè)兩塊金屬鈉最終熔合成一個小球，是因?yàn)榉磻?yīng)放熱，固體鈉變成了液體鈉，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓計(jì)算出鈉與水反應(yīng)放出的熱量，ΔH=-139.779kJ/mol，反應(yīng)放出的熱量，能夠達(dá)到鈉的熔點(diǎn)（97.72℃），使鈉熔化；同時由于液體都有表面張力，使液體形狀總向表面積最小的趨勢變化，而具有同體積的所有形狀中，球體的表面積最小，于是它變成小球，這也解釋了無論鈉塊的形狀是什么樣的，鈉塊放入水后，最終都會熔成小球。而在U型管左側(cè)，煤油減緩了鈉與水的反應(yīng)速率，使鈉與水反應(yīng)放出的熱量減少，沒有達(dá)到鈉的熔點(diǎn)，所以鈉塊的形狀幾乎不發(fā)生改變。

得出結(jié)論：鈉塊熔化后，外形類似粗略的球形，是因?yàn)榉磻?yīng)放熱，鈉的熔點(diǎn)低，塊狀的鈉熔化。

3.4 鈉與水反應(yīng)現(xiàn)象——“浮”的原因探究

實(shí)驗(yàn)裝置及操作：在具支U型管中加入適量蒸餾水，具支U型管右側(cè)加入適量蓖麻油，放入一塊金屬鈉，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：液體分層，上層為蓖麻油，下層為蒸餾水，鈉浮在蓖麻油上。

現(xiàn)象解釋：鈉的密度＜蓖麻油的密度＜水的密度。

得出結(jié)論：鈉浮在水面上與鈉的密度比水小有關(guān)。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)，證明了鈉與水的反應(yīng)產(chǎn)物是氫氧化鈉和氫氣。同時驗(yàn)證了鈉浮在水面上既有密度的因素，又有氣體因素；鈉變成小球是因?yàn)榉磻?yīng)放出的熱量達(dá)到鈉的熔點(diǎn)，固體鈉熔化成液體鈉。

4 小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用具支U型管、水銀溫度計(jì)等常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)出的一體化裝置，不僅能檢驗(yàn)反應(yīng)產(chǎn)物，也能解釋有關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，且新方案可操作性強(qiáng)、現(xiàn)象明顯，適合在課堂中演示。通過對照實(shí)驗(yàn)中U型管左右兩側(cè)反應(yīng)現(xiàn)象的差異，學(xué)生自然會提出鈉為什么會“熔”成小球、鈉“浮”在水面上的真正原因是什么？實(shí)驗(yàn)過程層層遞進(jìn)，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下類比推理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分析現(xiàn)象，得出結(jié)論，達(dá)到學(xué)生對熔融概念可視化的效果。通過實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證了鈉的密度比水小，提升了教學(xué)效果，進(jìn)而發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。同時，對照實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生初步感知：化學(xué)反應(yīng)速率是受反應(yīng)條件影響的，是可以調(diào)控的，為后面學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)的速率與限度作了鋪墊。

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