鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

伍強(qiáng)+方娟+蔡益

摘要：分析了教材中用爆鳴法和一線(xiàn)教師用點(diǎn)燃法來(lái)檢驗(yàn)鈉與水反應(yīng)牛成氫氣的實(shí)驗(yàn)方案，指出了這些實(shí)驗(yàn)方案存在的不足之處。利用鈉塊浸沒(méi)在水中需0.5～ls時(shí)間才熔化的性質(zhì)，設(shè)計(jì)了安全可行、裝置簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便和成功率高的爆鳴法和點(diǎn)燃法檢驗(yàn)氫氣的實(shí)驗(yàn)方案。通過(guò)改進(jìn)后的教學(xué)，學(xué)牛能更好地領(lǐng)悟鈉與水反應(yīng)的原理，了解實(shí)驗(yàn)安全常識(shí)，從而提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：鈉與水反應(yīng)；氫氣檢驗(yàn)；爆鳴法；點(diǎn)燃法；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1005-6629（2017）8-0073-03

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

將鈉塊投入盛有水的燒杯中，鈉與水反應(yīng)發(fā)出嘶嘶聲，不可依此現(xiàn)象斷定生成了氫氣，須收集氣體做爆鳴試驗(yàn)或點(diǎn)燃試驗(yàn)。鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)有時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸或燃燒，如果在空氣氛圍的封閉容器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就會(huì)引發(fā)氫氣的爆炸，結(jié)果不堪設(shè)想。因此教材和教師一直在探討安全可行和成功率高的檢驗(yàn)鈉與水反應(yīng)生成氫氣的實(shí)驗(yàn)方案。

1爆鳴法檢驗(yàn)鈉與水反應(yīng)生成的氫氣

用爆鳴法來(lái)檢驗(yàn)鈉與水反應(yīng)生成的氫氣，以往人教版有多種實(shí)驗(yàn)方案，而現(xiàn)行人教版卻未提及氫氣的檢驗(yàn)。

（1）《高級(jí)中學(xué)·化學(xué)》的實(shí)驗(yàn)方案：實(shí)驗(yàn)裝置如圖l所示。用鋁箔包好一小塊鈉，并在鋁箔上刺些小孔，用鑷子夾住，放在試管口下面，用排水法收集氣體。小心地取出試管，移近火焰，檢驗(yàn)試管里是不是收集了氫氣。此實(shí)驗(yàn)方案存在的不足之處為：實(shí)驗(yàn)發(fā)生爆炸的幾率較高，爆炸時(shí)會(huì)炸裂鋁箔層。

（2）《全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書(shū)·化學(xué)（試驗(yàn)修訂本）》的實(shí)驗(yàn)方案：實(shí)驗(yàn)的裝置如圖2所示。在一個(gè)空塑料瓶中加入約3/4體積的水，用手?jǐn)D壓瓶子，使水面上升至近瓶口，然后塞上用大頭針固定金屬鈉塊的塞子，倒置塑料瓶。待反應(yīng)完全后，檢驗(yàn)鈉與水反應(yīng)所生成的氣體。此實(shí)驗(yàn)方案存在的不足之處為：實(shí)驗(yàn)的操作要領(lǐng)難以掌握，實(shí)驗(yàn)成功率相對(duì)較低。

（3）《全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書(shū)·化學(xué)》再一次采用了《高級(jí)中學(xué)·化學(xué)》的實(shí)驗(yàn)方案，可見(jiàn)此實(shí)驗(yàn)方案相對(duì)較好。

（4）《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)1》沒(méi)有設(shè)計(jì)檢驗(yàn)鈉與水反應(yīng)生成氫氣的實(shí)驗(yàn)方案。教科書(shū)留給教師較大的創(chuàng)造空間，使教師在實(shí)踐中能充分發(fā)揮教學(xué)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

筆者嘗試沿用排水法收集氫氣的方法，簡(jiǎn)化了加鈉塊的方法，設(shè)計(jì)了操作更加簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)方案。

1.1實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，用鐵架臺(tái)和鐵夾固定試管，使試管口邊緣浸入水面下1—2cm處。

1.2實(shí)驗(yàn)操作、現(xiàn)象和結(jié)論

將盛滿(mǎn)水的試管（50mL）倒置在水槽中，如圖3所示固定試管。用坩堝鉗夾住一小塊鈉（約0.03—0.04g，使生成氫氣的體積約占試管體積的2/7），將鈉塊快速送至試管口下面。鈉與水反應(yīng)，鈉塊熔化并脫離坩堝鉗上浮至試管內(nèi)水面。待反應(yīng)完全后取出試管，塞上橡皮塞。待試管中氣體充分混合后打開(kāi)塞子，移近火焰，產(chǎn)生爆鳴聲，證實(shí)生成的氣體是氫氣。

2點(diǎn)燃法檢驗(yàn)鈉與水反應(yīng)生成的氫氣

用點(diǎn)燃法來(lái)檢驗(yàn)鈉與水反應(yīng)生成的氫氣，一線(xiàn)教師有深入的研究。在全國(guó)第十二屆實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新研討會(huì)上，四川省譚文生老師展示“鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)”的作品，得到了評(píng)委組肯定。

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。拔出推棒，取小塊鈉，將鈉捏成棒狀（直徑略大于推棒的直徑），插入橡皮塞孔中，再插入推棒。向廣口瓶加水至瓶口，再滴加酚酞，塞緊橡皮塞，關(guān)閉彈簧夾和活塞開(kāi)關(guān)。下壓推棒將鈉壓入水中，鈉與水反應(yīng)，溶液變紅色，具有透氣孔的燒瓶中產(chǎn)生噴泉現(xiàn)象。反應(yīng)結(jié)束，打開(kāi)彈簧夾和活塞開(kāi)關(guān)，點(diǎn)燃?xì)怏w。

實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)象生動(dòng)，設(shè)計(jì)新穎，趣味性強(qiáng)，但做這樣一套精致的實(shí)驗(yàn)裝置耗時(shí)不少，還要多次練習(xí)實(shí)驗(yàn)操作，才能較好地完成實(shí)驗(yàn)的展示。

筆者嘗試沿用排水法收集氣體的方法，簡(jiǎn)化了加鈉塊的方法，設(shè)計(jì)了操作簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)方案。

2.1實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，取200～300mL透明的塑料瓶，剪去底部。在橡皮塞中打一小孔，插入玻璃管，再接橡皮管（夾上彈簧夾）和注射針（剪去尖端部位）。用鐵架臺(tái)和鐵夾固定塑料瓶，使塑料瓶下邊緣浸入水面下2～3cm處。（注：在玻璃管下端口塞進(jìn)小口徑的塑料管，這樣在關(guān)閉彈簧夾情況下，若裝置浸沒(méi)在水中水也不會(huì)進(jìn)入玻璃管中，以便在實(shí)驗(yàn)時(shí)打開(kāi)彈簧夾氫氣能順暢放出。）

2.2實(shí)驗(yàn)操作、現(xiàn)象和結(jié)論

關(guān)閉彈簧夾，將塑料瓶側(cè)臥并浸沒(méi)在水中，排出塑料瓶中空氣，如圖5所示固定塑料瓶。用坩堝鉗夾住一小塊鈉，將鈉塊快速送至塑料瓶口下面。鈉與水反應(yīng)，鈉塊熔化并脫離坩堝鉗上浮至塑料瓶?jī)?nèi)水面。待反應(yīng)完全后將塑料瓶下移（盡可能沒(méi)入水中）固定。打開(kāi)彈簧夾，點(diǎn)燃?xì)怏w，氣體燃燒，證實(shí)生成的氣體是氫氣。

2.3注意事項(xiàng)

有研究者對(duì)鈉與水反應(yīng)做了如下試驗(yàn)：“當(dāng)水溫為23—27℃時(shí)，向盛有250mL水的500mL燒杯中，投入金屬鈉0.25g三次，一次爆炸，0.20g五次，一次爆炸……”，由此得出結(jié)論：“室溫下，在燒杯中做鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，鈉的安全用量（不發(fā)生爆炸）在0.07g以下”。筆者用新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，取用0.20～0.50g鈉塊進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。當(dāng)鈉塊粘附在塑料瓶?jī)?nèi)壁上，再搖動(dòng)塑料瓶使鈉塊與水反應(yīng)，偶爾也會(huì)發(fā)生爆炸。鈉與水反應(yīng)總有潛在爆炸的可能性，因此實(shí)驗(yàn)須注意如下事項(xiàng)。

（1）熔化的鈉塊有時(shí)會(huì)粘附在塑料瓶的內(nèi)壁上，致使較薄的瓶壁破裂，因此宜選用耐溫壁厚的塑料熱水瓶或塑料奶瓶等（耐溫在120℃以上），不可選用普通的礦泉水瓶。

（2）為了降低熔化的鈉塊粘附在塑料瓶?jī)?nèi)壁上的幾率，可在塑料瓶的內(nèi)壁表面預(yù)先涂上一層薄的食用植物油。

（3）為確保實(shí)驗(yàn)安全，應(yīng)取用干凈的鈉塊，每次投入鈉塊的質(zhì)量在0.10—0.20g為宜。

3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思考

3.1安全性分析

新設(shè)計(jì)的2個(gè)實(shí)驗(yàn)都是在“半封閉”的反應(yīng)容器中進(jìn)行，鈉都是在純氫氣氛圍中與水發(fā)生反應(yīng)，即使鈉與水反應(yīng)發(fā)生輕微的爆炸也不會(huì)引發(fā)氫氣的爆炸，因此相對(duì)安全。

3.2可行性分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試，用坩堝鉗夾住一小塊鈉，將鈉塊浸沒(méi)在水中，需0.5—ls時(shí)間鈉塊熔化脫離坩堝鉗。0.5～ls時(shí)間足夠?qū)⑩c塊在水中移動(dòng)20cm，因此用坩堝鉗夾住鈉塊，將鈉塊送至試管口或塑料瓶口下的操作是完全可行的。

3.3成功率分析

新設(shè)計(jì)的爆鳴法實(shí)驗(yàn)方案，易于控制氫氣的體積占試管總體積的2/7，使爆鳴聲最響；點(diǎn)燃法實(shí)驗(yàn)方案，可多次添加鈉塊，產(chǎn)生足夠量的氫氣，延長(zhǎng)氫氣燃燒時(shí)間，因此實(shí)驗(yàn)成功率均很高。

新設(shè)計(jì)的爆鳴法和點(diǎn)燃法檢驗(yàn)鈉與水反應(yīng)生成氫氣的實(shí)驗(yàn)方案具有安全可行、裝置簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便和成功率高的優(yōu)點(diǎn)，因此具有一定的推廣價(jià)值。通過(guò)爆鳴法和點(diǎn)燃法檢驗(yàn)鈉與水反應(yīng)生成氫氣的教學(xué)，學(xué)生能更好地領(lǐng)悟鈉與水反應(yīng)的原理，了解實(shí)驗(yàn)安全常識(shí)，從而提升了教學(xué)效果。endprint