魏毅鳴 楊曉麗

摘要： 利用鈉和水反應(yīng)產(chǎn)生白色煙霧的實(shí)驗(yàn)情境，對(duì)產(chǎn)生的白色煙霧的成分及來源開展探究活動(dòng)。參閱相關(guān)文獻(xiàn)，使用傳感器等設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，得出的結(jié)論是： 金屬鈉與水反應(yīng)生成的白色煙霧是由水蒸氣、氧化鈉顆粒及氫氧化鈉顆粒等物質(zhì)組成。抓住常見演示實(shí)驗(yàn)的一些小細(xì)節(jié)或某些容易被人忽視的現(xiàn)象開展探究活動(dòng)，有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的培育。

關(guān)鍵詞： 鈉與水反應(yīng); 白色煙霧; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2019）1006404 ? ? ?中圖分類號(hào)： G633.8 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

2017年版的普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布，其中提出的高中化學(xué)課程基本理念中提到要重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)： 倡導(dǎo)真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[1]。課堂實(shí)驗(yàn)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主陣地，但是并不是所有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都在實(shí)驗(yàn)參與者的關(guān)注之中，如果僅僅就教學(xué)所需講“有用”的現(xiàn)象，而對(duì)那些所謂沒有貢獻(xiàn)的“無用”的現(xiàn)象視而不見，那是多么可惜啊！因?yàn)檫@本身就是一個(gè)真實(shí)的情境，其中有很多生成性的知識(shí)可供進(jìn)一步的開發(fā)利用，有益于培養(yǎng)學(xué)生多種的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本實(shí)驗(yàn)探究就是基于這樣一個(gè)理念，抓住常見演示實(shí)驗(yàn)的一些小細(xì)節(jié)，用傳感器技術(shù)探究被人忽視的現(xiàn)象及其成因。

在講授金屬鈉的性質(zhì)時(shí)，作為金屬鈉的重要性質(zhì)，鈉與水的反應(yīng)是必做的演示實(shí)驗(yàn)。在歸納鈉與水反應(yīng)的現(xiàn)象時(shí)，總會(huì)提到以下幾點(diǎn)： ①鈉浮在水面上;②鈉熔化成光亮的小球;③小球四處游動(dòng);④反應(yīng)時(shí)發(fā)出咝咝的響聲;⑤滴有酚酞的水變紅。但是有個(gè)現(xiàn)象，眼尖的學(xué)生會(huì)觀察到，但是課堂教學(xué)一般對(duì)其不管不問，其實(shí)該現(xiàn)象就是燒杯中水面上方出現(xiàn)白色的煙霧，教師和前排的學(xué)生如果吸入這種白色的煙霧會(huì)感覺到很嗆人。白色的煙霧究竟是什么？它產(chǎn)生的原因是什么？這些都是值得研究的問題。

2 相關(guān)的研究

首先查閱有關(guān)金屬鈉和水反應(yīng)現(xiàn)象分析的相關(guān)文獻(xiàn)。國外文獻(xiàn)方面，P.E. Mason[2]認(rèn)為，鈉與水的反應(yīng)是一種非均相反應(yīng)，水和金屬之間的接觸產(chǎn)生水蒸氣和氫氣導(dǎo)致形成蒸氣層。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，在水中浸泡時(shí)，鈉鉀合金幾乎立即從金屬表面釋放電子，因此，該系統(tǒng)很快達(dá)到瑞利不穩(wěn)定性極限，從而導(dǎo)致堿金屬液滴的“庫侖爆炸”，形成了新的與水接觸的金屬表面。這解釋了為什么反應(yīng)不會(huì)被其產(chǎn)物覆蓋而停止，而是可以導(dǎo)致爆炸的后果。國內(nèi)文獻(xiàn)方面，何斌華[3]認(rèn)為這些白色的煙霧是液態(tài)的鈉球表面能量高的鈉原子受熱揮發(fā)到空氣中與氧氣反應(yīng)生成的氧化鈉。孫成斌[4]用BornHaber循環(huán)近似求得鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生的熱量足以使金屬鈉熔化。產(chǎn)生的熱量不但使金屬鈉熔化，使反應(yīng)速率加快，而且使少量已熔化的金屬鈉變成鈉蒸氣隨同氫氣一起進(jìn)入氣相。他得出的結(jié)論是： 金屬鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生的白色霧狀物氣體中除了氫氣、水蒸氣以外，還有微量的氫氧化鈉、氧化鈉、過氧化鈉、碳酸鈉以微小晶粒的形式存在于氣體中。劉懷樂[5]認(rèn)為這些白色物主要不是煙（鈉和鈉的化合物），而是由水蒸氣凝聚而成的白霧。吳家平[6]認(rèn)為鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生的白色霧狀物是堿霧，堿霧是與鈉球靠近的水分子獲得熱量升溫急劇氣化，氫氣和水蒸氣帶著氫氧化鈉溶液的微小液滴沖出液面而成。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生的白色煙霧狀物質(zhì)究竟是什么？我們利用傳感器等實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)1

實(shí)驗(yàn)原理： 利用濕度傳感器和沾附水的pH傳感器來測(cè)量鈉與水反應(yīng)的容器上方空氣的濕度與酸堿度的變化。

實(shí)驗(yàn)器材： 濕度傳感器、pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、100mL燒杯、小刀、鑷子、玻璃片、鐵架臺(tái)、鐵夾

實(shí)驗(yàn)藥品： 金屬鈉、蒸餾水實(shí)驗(yàn)過程： 在100mL燒杯中裝有20mL蒸餾水，將連接在數(shù)據(jù)采集器上的濕度傳感器和pH傳感器（用蒸餾水潤濕測(cè)量端）用鐵夾夾持固定在鐵架臺(tái)上，使其恰好能懸停在燒杯口（防止有液滴飛濺影響測(cè)量），如圖1所示。

（1） 取綠豆大小的一塊鈉，吸干煤油，投入燒杯的水中，同時(shí)收集濕度傳感器和pH傳感器的數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)不再變化。

（2） 另取稍大一點(diǎn)（約赤豆大?。┑囊粔K鈉，吸干煤油，投入燒杯的水中，同時(shí)收集濕度傳感器和pH傳感器的數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)不再變化。

在9.3℃時(shí)獲取兩次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如圖2和圖3所示。

上述曲線變化可以從以下兩點(diǎn)進(jìn)行解釋：

（1） 少量的金屬鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生的白色煙霧狀物質(zhì)中水分很少，對(duì)燒杯口附近的濕度幾乎沒有影響。稍多一點(diǎn)的金屬鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生的白色煙霧狀物質(zhì)一開始讓燒杯口的濕度上升，這個(gè)很好解釋，因?yàn)榉艧釋?dǎo)致水蒸發(fā)加快，濕度自然會(huì)上升。但是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，白色煙霧狀物質(zhì)卻沒有使燒杯口附近的濕度進(jìn)一步上升，反而下降了。是什么原因讓這一情況發(fā)生的呢？這個(gè)問題由第二個(gè)結(jié)論解釋。

（2） 金屬鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生的白色煙霧狀物質(zhì)能使燒杯口附近的水pH升高，而且鈉粒越大，pH升高越明顯。對(duì)兩張圖中曲線②進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在40秒時(shí)，②的濕度達(dá)到峰值，但是pH繼續(xù)上升，并維持在較高水平。達(dá)到峰值之前，由于鈉塊較大，遇水會(huì)瞬間放熱，產(chǎn)生較多水蒸氣，導(dǎo)致濕度升高。但是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，金屬鈉和水由于“氣墊”的存在是相對(duì)隔絕的，因此此時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣是不可持續(xù)的，表現(xiàn)出的現(xiàn)象就是燒杯口濕度的上升是不可持續(xù)的。而從反應(yīng)開始，白色煙霧狀物質(zhì)一直在持續(xù)產(chǎn)生，并使pH不斷升高，這證明白色煙霧狀物質(zhì)是氧化鈉或氫氧化鈉，它們?nèi)苡谒纬蓧A性溶液導(dǎo)致pH升高。它們來自金屬鈉受熱后的揮發(fā)，在這一過程中與氧氣反應(yīng)生成了氧化鈉，與水反應(yīng)生成了氫氧化鈉，生成的氧化鈉和氫氧化鈉吸收水，自然而然會(huì)出現(xiàn)“堿霧”的現(xiàn)象，同時(shí)出現(xiàn)了空氣濕度下降的現(xiàn)象。

那么此時(shí)產(chǎn)生的堿霧會(huì)不會(huì)主要是來自受熱揮發(fā)的含有氫氧化鈉的水蒸氣呢？可以設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 實(shí)驗(yàn)2

將實(shí)驗(yàn)1進(jìn)行如下改進(jìn)： 取綠豆大小的一塊鈉，吸干煤油后包在脫脂棉中，再用銅片包住該脫脂棉包裹體，其目的是使金屬鈉能沉入水下反應(yīng)，同時(shí)也不會(huì)因不同金屬接觸產(chǎn)生原電池效應(yīng)。將該包裹體放入100mL燒杯中，然后倒入20mL蒸餾水，將連接在數(shù)據(jù)采集器上的濕度傳感器和pH傳感器（用蒸餾水潤濕測(cè)量端）用鐵夾夾持固定在鐵架臺(tái)上，使其恰好能懸停在燒杯口（防止有液滴飛濺影響測(cè)量）（見圖4）。

在25.5℃時(shí)，進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)操作，觀察到如下現(xiàn)象： 采集數(shù)據(jù)10秒后開始倒入20mL蒸餾水，20秒時(shí)，鈉球從水下浮出，劇烈燃燒并游動(dòng)。獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5和圖6所示。

分析可知，在水下反應(yīng)時(shí)，鈉與水反應(yīng)所產(chǎn)生的氫氣，濕度也很大，堿性卻更強(qiáng)，這是由于鈉在水下反應(yīng)，氣體被高濃度的NaOH包圍著，氣體中的水蒸氣溶有一定量的NaOH，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)測(cè)得pH急劇升高到接近12，這個(gè)現(xiàn)象是實(shí)驗(yàn)1所沒有的。這也說明了鈉在水面上反應(yīng)產(chǎn)生的堿性物質(zhì)來自揮發(fā)的微量的鈉原子與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的氧化鈉和與水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧化鈉，而不是氫氣裹挾自溶液中的氫氧化鈉溶質(zhì)。

而鈉球浮上后劇烈燃燒，釋放出大量白色煙霧狀物質(zhì)，同時(shí)濕度和pH的下降說明了導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)1濕度下降的物質(zhì)是鈉受熱揮發(fā)出來的微量的鈉原子和氧氣反應(yīng)生成的氧化鈉及其和水蒸氣反應(yīng)生成的氫氧化鈉。因此實(shí)驗(yàn)1產(chǎn)生的堿霧主要不是來自受熱揮發(fā)的含有氫氧化鈉的水蒸氣。

結(jié)論： 金屬鈉與水反應(yīng)生成的白色煙霧狀物質(zhì)是水蒸氣及受熱揮發(fā)出來的鈉原子和氧氣反應(yīng)生成的氧化鈉及其和水蒸氣反應(yīng)生成的氫氧化鈉。

通過本實(shí)驗(yàn)的探究，參與者（包括學(xué)生）意識(shí)到了本實(shí)驗(yàn)是存在被人體吸入堿性物質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)的，必須要提醒他人注意防范，由此培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感。同時(shí)在查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)孕育了學(xué)生的科學(xué)探究和創(chuàng)新意識(shí)素養(yǎng)。在面對(duì)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，尋求變化本質(zhì)的過程中又培養(yǎng)了學(xué)生的證據(jù)推理和模型認(rèn)知素養(yǎng)。最終在這樣一個(gè)不太被人關(guān)注的真實(shí)的情境下，讓學(xué)生在思想和方法、具體實(shí)踐以及價(jià)值追求等層面都實(shí)現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 4.

[2]P.E. Mason and other. Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water [J]. Nature Chemistry ， 2015， 7（3）： 250.

[3]何斌華. 鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中三種現(xiàn)象之我見[J]. 化學(xué)教學(xué)， 1989， （3）： 43～44.

[4]孫成斌. 鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋[J]. 黔南民族師專學(xué)報(bào)， 1999， （6）： 45～46， 51.

[5]劉懷樂. 鈉與水反應(yīng)現(xiàn)象剖析[J]. 化學(xué)教育， 1990， （2）： 39～41.

[6]吳家平. 也談鈉與水反應(yīng)的三種現(xiàn)象[J]. 化學(xué)教學(xué)， 1990， （6）： 41～43.