王春陽(yáng)　王藍(lán)藍(lán)　王后雄

摘要：分析鈉單質(zhì)和氯氣反應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)的不足和研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)利用石英坩堝進(jìn)行鈉單質(zhì)和碘單質(zhì)反應(yīng)的新實(shí)驗(yàn)裝置，可以持續(xù)動(dòng)態(tài)觀察反應(yīng)現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)多次探索和改進(jìn)，該實(shí)驗(yàn)具有試劑用量小、操作簡(jiǎn)便化、密封可控、環(huán)保安全、易推廣等優(yōu)點(diǎn)，適合課堂演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：離子鍵形成過(guò)程;實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)探究;石英坩堝;鈉單質(zhì)和碘單質(zhì)

文章編號(hào)：1005-6629（2021）04-0064-02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1問(wèn)題的提出

1.1教材實(shí)驗(yàn)分析

人教版必修2第一章第3節(jié)“化學(xué)鍵”中，離子鍵形成過(guò)程的演示實(shí)驗(yàn)是鈉單質(zhì)和氯氣反應(yīng)，以此說(shuō)明氯原子失去一個(gè)電子給鈉原子，形成相互吸引的陰陽(yáng)離子，即離子鍵形成過(guò)程。但在實(shí)際教學(xué)中，制備氯氣裝置復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)，且氯氣容易逸散，對(duì)于通風(fēng)條件較差，特別是某些農(nóng)村高中的教室里做演示實(shí)驗(yàn)，顯然會(huì)造成環(huán)境污染，更別說(shuō)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)或探究實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境造成的影響;實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)操作比較麻煩，特別是集氣瓶倒置于加熱的石棉網(wǎng)上時(shí)，集氣瓶倒置過(guò)程和玻璃片移出過(guò)程都會(huì)有氯氣的逸出;尾氣處理也很難控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在集氣瓶移出過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致未反應(yīng)的氯氣大部分逸出。多數(shù)教師鑒于制備麻煩、易造成污染，干脆以視頻代替演示實(shí)驗(yàn)，顯然不能給學(xué)生形成深刻印象和引發(fā)深度思考，大大影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。所以尋找更易操作、取材方便、污染較小、現(xiàn)象明顯的替代實(shí)驗(yàn)就勢(shì)在必行。

1.2研究現(xiàn)狀及分析

近年來(lái)，一線教師不斷對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，取得了一定的成效，如有教師把鈉單質(zhì)粉碎為非常細(xì)小的顆粒直接和氯氣反應(yīng)，無(wú)需加熱，可觀察到鈉單質(zhì)在氯氣中劇烈燃燒，現(xiàn)象比較明顯，但這也無(wú)法排除氯氣的制備麻煩和漏氣污染等弊端。也有教師改用鈉單質(zhì)和碘單質(zhì)反應(yīng)，如圖1所示。此實(shí)驗(yàn)利用碘單質(zhì)易升華、熔沸點(diǎn)較低等性質(zhì)，與鈉單質(zhì)反應(yīng)現(xiàn)象明顯，排除了氯氣泄漏的弊端，但按照作者的實(shí)驗(yàn)及說(shuō)明進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大試管中加入鈉單質(zhì)直接加熱很容易被炸裂。實(shí)驗(yàn)剛開始時(shí)，鈉單質(zhì)容易和空氣中氧氣反應(yīng)，有黃色固體生成，大約1分鐘左右碘單質(zhì)才升華，紫色的碘蒸氣從小試管中移出并下沉與鈉單質(zhì)反應(yīng)，試管上部?jī)?nèi)壁有大量碘單質(zhì)凝華，造成浪費(fèi);大試管口上蓋的小燒杯（為防止碘蒸氣逸出大試管）也有碘凝華造成浪費(fèi)。因此該實(shí)驗(yàn)鈉單質(zhì)和碘單質(zhì)用量都比較大，且只有大試管底部可以觀察到稍許現(xiàn)象，甚至需要關(guān)掉實(shí)驗(yàn)室或教室里的燈才可以看到有明顯的現(xiàn)象。上述實(shí)驗(yàn)雖然有不少缺陷，但其設(shè)計(jì)思路和發(fā)散性思維，為后續(xù)的設(shè)計(jì)和研究提供了學(xué)習(xí)資源和借鑒。

1.3裝置的改進(jìn)

針對(duì)教材實(shí)驗(yàn)和有關(guān)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)的不足，確定本次實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的主要原則是：裝置需要密封、藥品用量少、操作方便、現(xiàn)象明顯、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、反應(yīng)時(shí)間更短、便于學(xué)生觀察，適合于課堂演示和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，選用20 mL石英坩堝，采用直接加熱方式，可觀察到鈉單質(zhì)和碘蒸氣的動(dòng)態(tài)反應(yīng)過(guò)程，由紫色蒸氣逐漸變?yōu)榘咨臒?，現(xiàn)象明顯，效果極好。

2實(shí)驗(yàn)過(guò)程和機(jī)理分析

2.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

在20 mL石英坩堝中加入2粒綠豆大小的金屬鈉單質(zhì)和1粒綠豆大小的碘單質(zhì)，蓋上蓋子，用酒精燈加熱，觀察現(xiàn)象。

碘單質(zhì)迅速充滿整個(gè)石英坩堝，石英坩堝底部先出現(xiàn)白煙，然后白煙由底部向上升，最后出現(xiàn)在蓋子上，紫色物質(zhì)逐漸變?yōu)榘咨镔|(zhì)，當(dāng)蓋子上紫色物質(zhì)全部變?yōu)榘咨镔|(zhì)時(shí)，停止加熱，整個(gè)過(guò)程持續(xù)大約1.5min，是動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程。

2.2反應(yīng)過(guò)程和機(jī)理分析

查資料可知，碘單質(zhì)易升華，熔點(diǎn)113.5℃，沸點(diǎn)184.35℃。實(shí)驗(yàn)時(shí)，碘單質(zhì)來(lái)不及熔化就迅速升華為氣體并充滿整個(gè)石英坩堝，呈現(xiàn)紫色。鈉單質(zhì)熔點(diǎn)為97.72℃，沸點(diǎn)為883℃，剛開始熔化的鈉單質(zhì)的表面與碘蒸氣反應(yīng)，隨著溫度的升高，鈉單質(zhì)開始變?yōu)殁c蒸氣，與坩堝中的碘蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成白色的碘化鈉，然后鈉蒸氣繼續(xù)上升，與石英坩堝上面紫色的碘單質(zhì)繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，直至石英坩堝的紫色碘蒸氣全部變?yōu)榘咨牡饣c。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯。觀察發(fā)現(xiàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有碘蒸氣逸出，也沒(méi)有白色固體移出，因?yàn)樯w子周邊環(huán)境溫度較低，碘單質(zhì)、碘化鈉乃至鈉蒸氣不可能以氣體的形式逸出到空氣中污染空氣。為了確保坩堝和蓋子接觸嚴(yán)密，可以在坩堝和蓋子接觸處涂抹少量凡士林。

計(jì)算表明，該反應(yīng)在室溫下熵變比較小，焓變比較大，因此不是熵驅(qū)動(dòng)，主要是由焓變驅(qū)動(dòng)，在室溫下，反應(yīng)從熱力學(xué)角度分析能自發(fā)進(jìn)行。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，該反應(yīng)室溫下反應(yīng)非常慢，需要加熱至高溫以達(dá)到縮短反應(yīng)時(shí)間、現(xiàn)象明顯、高溫產(chǎn)生鈉蒸氣與碘充分反應(yīng)的目的，滿足課堂演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的需求。

3實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)和后續(xù)處理

自主設(shè)計(jì)使用石英坩堝作裝置，利用碘單質(zhì)的獨(dú)特性質(zhì)（易升華），避免使用氯氣、制備過(guò)程復(fù)雜、裝置移動(dòng)不便等弊端。利用鈉單質(zhì)熔沸點(diǎn)低，加熱易使鈉單質(zhì)熔化和生成鈉蒸氣，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，且有生成白色固體的動(dòng)態(tài)過(guò)程，便于學(xué)生進(jìn)行觀察和思考。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)既可以方便教師演示實(shí)驗(yàn)，又可以讓學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，鈉單質(zhì)和碘單質(zhì)取材都比較方便，20mL的石英坩堝，網(wǎng)上購(gòu)買非常方便，價(jià)格也很便宜。

停止實(shí)驗(yàn)后，可以打開石英坩堝蓋子，讓學(xué)生觀察碘化鈉在空氣中的變化過(guò)程：碘化鈉迅速由白色變?yōu)闊o(wú)色，進(jìn)而潮解變成粘稠狀，說(shuō)明碘化鈉具有易潮解的性質(zhì)。待碘化鈉完全潮解后，在石英坩堝中加入10 mL無(wú)水乙醇，以除去未反應(yīng)的鈉單質(zhì)。