鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

劉婷婷 宋秀蓮

(湖北省宜昌市三峽高級中學(xué))

一、問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)在實(shí)施建議中提出:①應(yīng)重視實(shí)驗(yàn)探究,適當(dāng)增加微型實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生體會、認(rèn)識技術(shù)手段對化學(xué)學(xué)科的重要價(jià)值;②利用信息技術(shù)提高課堂效率和質(zhì)量,強(qiáng)化信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的深度融合。鈉與水的實(shí)驗(yàn)探究是學(xué)習(xí)鈉的化學(xué)性質(zhì)的重要載體,是培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理的學(xué)科核心素養(yǎng)的重要素材。在學(xué)業(yè)要求中提到,學(xué)生應(yīng)能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行初步論證,并能分析、解釋有關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

鈉與水的實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)在教材的探究模塊,探究活動的目的之一是讓學(xué)生獲取實(shí)驗(yàn)證據(jù),了解鈉與水反應(yīng)的生成物。該實(shí)驗(yàn)操作簡單,安全性也可控,《教師教學(xué)用書》中指明該實(shí)驗(yàn)可由學(xué)生完成。但教材中的實(shí)驗(yàn)沒有產(chǎn)物氫氣的檢驗(yàn)環(huán)節(jié),證據(jù)素材不夠完備,《教師教學(xué)用書》中也同樣提出“可以補(bǔ)充氣體生成物的收集和檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)”。目前一線教師在教學(xué)中主要采用的是點(diǎn)燃法進(jìn)行氫氣的檢驗(yàn),而實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的關(guān)鍵點(diǎn)主要聚焦在點(diǎn)燃該可燃性氣體時(shí),如何保證操作的安全性。為了更加安全地完成氫氣點(diǎn)燃的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)者必然會探究如何使反應(yīng)裝置的氣密性更好。其創(chuàng)新的視角是裝置的密封性和實(shí)驗(yàn)操作的安全性,例如,現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于氫氣的檢驗(yàn)方式主要為氣球、注射器、肥皂水等收集氫氣后點(diǎn)燃。而這些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)對于入學(xué)不久的高一學(xué)生來說,操作不夠簡單,安全性不一定能夠保證,僅適用于教師做演示實(shí)驗(yàn)。筆者之前在授課過程中,采用的是學(xué)生先按照教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究,教師再補(bǔ)充演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)物有氫氣,需要進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn),教學(xué)環(huán)節(jié)略繁瑣。因此,筆者將現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中檢測氫氣的裝置——?dú)錃鈾z測儀引入實(shí)驗(yàn)教學(xué),在確保安全性和不增加操作難度的前提下,證據(jù)素材一次性呈現(xiàn),便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究。

現(xiàn)有鈉與水實(shí)驗(yàn)探究是根據(jù)鈉熔化成小球推理得出反應(yīng)放熱,根據(jù)反應(yīng)放出的熱量能使鈉熔化得出鈉的熔點(diǎn)低的結(jié)論。在實(shí)際教學(xué)中,由于學(xué)生剛進(jìn)入高中,根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象從反應(yīng)的能量視角分析出“鈉與水反應(yīng)放熱”這個(gè)結(jié)論相對困難,因此需要教師在實(shí)際教學(xué)中,用帶有指向性的語言,清晰地提示學(xué)生反應(yīng)放熱還是吸熱,學(xué)生才會作出相應(yīng)的正確回答。學(xué)生由現(xiàn)象推理出預(yù)期的結(jié)論難度大,故筆者將工業(yè)生產(chǎn)中的手機(jī)熱成像儀引入實(shí)驗(yàn)教學(xué),用直觀的熱成像圖和溫度數(shù)據(jù)來輔助學(xué)生突破能量難點(diǎn),將該實(shí)驗(yàn)的研究視角從物質(zhì)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)向物質(zhì)、能量雙視角。

二、關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)儀器的功能介紹

(一)氫氣檢測儀

本實(shí)驗(yàn)用到的氫氣檢測儀是?，攦x表(SMART SENSOR)。它是利用傳感器來捕捉氫氣并進(jìn)行定量測定,該儀器的測量范圍是0～1 000 ppm,分辨率是1 ppm。氫氣檢測儀(見圖1)在檢測到環(huán)境中的氫氣時(shí),氫氣濃度讀數(shù)會顯示在液晶顯示屏上。儀器提供用戶可自行設(shè)置低濃度/高濃度報(bào)警功能,當(dāng)檢測結(jié)果超過預(yù)先設(shè)置的報(bào)警設(shè)定值,儀器便以聲、光及振動報(bào)警提醒用戶。該氫氣檢測儀的表盤在實(shí)際測量時(shí)會實(shí)時(shí)顯示環(huán)境中氫氣的濃度,測定結(jié)束后操作者可以由氫氣讀數(shù)模式切換到峰值顯示模式。在峰值顯示模式下,屏幕將顯示氫氣傳感器測得的最高氣體濃度值。

圖1 手機(jī)熱成像儀(左) 氫氣檢測儀(右)

(二)手機(jī)熱成像儀

本文所采用的手機(jī)熱成像儀是FLIR ONE安卓版(如圖1)。它可以直觀地呈現(xiàn)出熱成像圖,通過顏色差異判斷出反應(yīng)中的高溫區(qū)和低溫區(qū)。與此同時(shí),可以設(shè)定3個(gè)可移動的點(diǎn)測溫,實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)中高溫區(qū)溫度和低溫區(qū)溫度。

三、實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象

【步驟】向燒杯中加入一些水,滴入幾滴酚酞溶液,氫氣檢測儀放置在燒杯附近,手機(jī)熱成像儀通過手機(jī)支架固定在燒杯上方,然后把一塊綠豆大的鈉放入水中。

【常規(guī)現(xiàn)象】鈉浮在水面,迅速熔成小球,四處游動,發(fā)出嘶嘶聲,溶液變?yōu)榧t色。

【特有現(xiàn)象】氫氣檢測儀屏幕上實(shí)時(shí)顯示氫氣濃度。當(dāng)氫氣濃度達(dá)到預(yù)設(shè)值50 ppm時(shí),氫氣檢測儀發(fā)出報(bào)警聲,氫氣濃度最大為490 ppm(見圖2)。與此同時(shí),手機(jī)熱成像儀的手機(jī)界面輸出動態(tài)的熱像圖(見圖3),鈉所到之處呈現(xiàn)橙黃色為高溫區(qū),鈉游走后該區(qū)域橙黃色逐漸變淺直至消失,變?yōu)榈蜏貐^(qū)。設(shè)置三個(gè)溫度采集點(diǎn),鈉所在之處采集到的溫度為66.4℃,兩處低溫區(qū)采集到的溫度分別為11.0℃和12.8℃。

圖2 氫氣檢測儀實(shí)時(shí)監(jiān)測氫氣濃度

圖3 手機(jī)熱成像儀下鈉的軌跡和溫度顯示

四、幾點(diǎn)說明

1.反應(yīng)的發(fā)生裝置同教材一樣用燒杯,延續(xù)操作簡便和便于觀察現(xiàn)象的優(yōu)勢,但引入了氫氣檢測儀和手機(jī)熱成像儀,增加了產(chǎn)物氫氣的檢驗(yàn)和反應(yīng)放熱的直觀證據(jù)素材。

2.經(jīng)多次實(shí)驗(yàn),綠豆大小的鈉塊放入水中,置于敞開的常規(guī)教室中,氫氣局部濃度最高達(dá) 490 ppm(0.049%),遠(yuǎn)小于氫氣的爆炸極限4%～75.6%,不存在安全隱患。教師可以給氫氣檢測儀預(yù)先設(shè)置一個(gè)合適的報(bào)警值,氫氣濃度達(dá)到設(shè)定值后檢測儀報(bào)警,充分調(diào)動學(xué)生的聽覺感官,以便快捷、全面地獲取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)中,筆者提前設(shè)置的報(bào)警值是50 ppm,這樣既不會剛產(chǎn)生氣體就報(bào)警,也不會反應(yīng)結(jié)束也不報(bào)警,是一個(gè)比較合理的值。

3.手機(jī)熱成像儀采集的熱像圖能實(shí)時(shí)呈現(xiàn)高溫區(qū)和低溫區(qū),橙黃色表征高溫區(qū)。鈉所到之處為高溫區(qū),鈉的游動軌跡通過橙黃色區(qū)域的動態(tài)變化呈現(xiàn)出來。隨機(jī)采集橙黃色高溫區(qū)和非橙黃色低溫區(qū)的具體溫度,根據(jù)溫度差可定量證明鈉與水反應(yīng)放熱。

4.鈉迅速移動,造成能量散失,如實(shí)驗(yàn)采集過程中未采集到高于100℃的數(shù)據(jù),為解釋鈉與水反應(yīng)過程中的水汽化出現(xiàn)白霧的現(xiàn)象,可增補(bǔ)實(shí)驗(yàn)。筆者引入數(shù)學(xué)中的極限思想,將少量的鈉塊放入三滴水中(見圖4),實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),成功獲得鈉熔化成小球時(shí)局部溫度達(dá)100.9℃(見圖5)。

圖4 微量化的鈉與水實(shí)驗(yàn)

圖5 鈉熔化成小球時(shí),局部溫度高達(dá)100.9℃