鈉燃燒異常現(xiàn)象探究

文章編號：1005－6629(2008)10－0007－03中圖分類號：G633.8文獻標識碼：C

現(xiàn)行的三套高中化學教材（蘇教版、魯科版、人教版），都設有鈉在空氣中燃燒這一實驗。該實驗新奇有趣，火、煙、聲、色俱全，能較快地吸引學生的注意力，激發(fā)學習興趣，調動學習化學的熱情。其中，人教版高中《化學1(必修)》(2007年3月第3版)第48頁簡述如下：“鈉受熱后，與氧氣劇烈反應，發(fā)出黃色火焰，生成一種淡黃色的固體——過氧化鈉Na₂O₂。”并附有圖片。

在蒸發(fā)皿里重做這一實驗。具體現(xiàn)象如下：

①加熱片刻，鈉開始熔化成一個銀灰色的小球，小球表面出現(xiàn)一層黑色薄膜；稍后薄膜破裂，液態(tài)鈉流出，并迅速燃燒，黃色火焰，同時伴有大量白煙。

②在鈉加熱熔化至燃燒的整個過程中都有較多的黑色物質出現(xiàn)。隨著溫度的降低，絕大部分黑色物質發(fā)生變色現(xiàn)象，由黑色逐漸變成巧克力色、橙黃色，最后變成淡黃色。

③冷卻到室溫時，生成的淡黃色固體周圍有少量的黑色物質（如圖1）。

按照教材的說法，鈉在空氣中燃燒應“生成一種淡黃色的固體——過氧化鈉Na2O2”。那么，實驗中為什么會出現(xiàn)系列變色現(xiàn)象？為什么在燃燒的產(chǎn)物中會有一些黑色物質？黑色物質又究竟是什么？

１ 探究變色現(xiàn)象

依據(jù)鈉燃燒時，出現(xiàn)系列顏色變化，冷卻到室溫時又變成淡黃色。提出假設如下。

假設：

鈉燃燒過程中出現(xiàn)的黑色、巧克力色、橙黃色……的物質，是不同溫度時的過氧化鈉。

實驗一：加熱Na₂O₂

在蒸發(fā)皿中放適量的淡黃色過氧化鈉粉末，用酒精燈加熱[1]。

實驗一現(xiàn)象：

①隨著溫度的升高，淡黃色粉末的顏色逐漸加深，出現(xiàn)系列變化，由淡黃色——橙黃色——巧克力色——黑色；（如圖2）

②加熱至沸騰時有少量氣體產(chǎn)生。反應結束后蒸發(fā)皿中有白色固體生成。

由此可見，加熱過氧化鈉粉末到熔融態(tài)時，發(fā)生的變色現(xiàn)象，與鈉在空氣中燃燒及冷卻到室溫，發(fā)生的系列變化：顏色相同，順序相反。

資料驗證：

①B.涅克拉索夫著《普通化學教程》下冊712頁:

“很純的Na₂O₂是無色的，但是出售的成品通常帶有淡黃色(當加熱時顏色更深)”。

②《化學辭典》第284頁：

“Na₂O₂，黃白色粉末，加熱時變黑，熔點460℃（分解）”。

③ “Na₂O的沸點是1277℃”[2]。

小結：實驗和資料都有力地說明，鈉在空氣中燃燒時出現(xiàn)的黑色(絕大部分)、巧克力色、橙黃色……淡黃色物質，正是不同溫度時的過氧化鈉本身。

２ 探究黑色固體

鈉在空氣中燃燒后的產(chǎn)物，絕大多數(shù)是淡黃色固體過氧化鈉，但其中仍有極少量的黑色物質，這黑色物質究竟是什么？

查閱資料：

①《無機化學》第14章氮族元素：

氮氣的化學性質很穩(wěn)定，第IA族的金屬除鋰外都不直接與氮氣作用。

因此，黑色固體不是鈉與氮氣反應生成。

②鈉是否有與二氧化碳反應的可能？

根據(jù)“鈉燃燒池中， 鈉燃燒溫度為400～1000℃之間[3]。” 設計實驗如下：

實驗二：鈉在二氧化碳中的燃燒

①向圓底燒瓶中通入經(jīng)飽和NaHCO₃溶液洗滌、濃H₂SO₄干燥的二氧化碳氣體。

②驗滿后，把一塊用濾紙吸干煤油并切除表面氧化層的黃豆大小的金屬鈉，放進干燥燒瓶的底部。

③先用酒精燈預熱，再加熱。（如圖3）

注:

·驗滿：用燃著的火柴檢驗雙孔橡皮塞上長導管排出的氣體。

·為獲得較高溫度，沒有墊石棉網(wǎng)。

·在加熱和燃燒的過程中，為了使較多的二氧化碳參與反應， 減少O₂的干擾，需持續(xù)通入干燥純凈的二氧化碳。

實驗二現(xiàn)象：

①鈉熔化成小球，表面有一層灰白色的薄膜。用瓶中通入二氧化碳的玻璃管戳破薄膜，銀白色的液態(tài)鈉迅速流出并劇烈地燃燒，黃色火焰，瓶中充滿白煙。

②反應結束冷卻到室溫時，燒瓶底部有較多的黑色固體物質，瓶壁上附滿白色粉末(如圖4)。

③無淡黃色固體生成。

實驗三（步驟及現(xiàn)象）：產(chǎn)物的檢驗

①取適量實驗二燒瓶壁上的白色粉末放入試管中，加水振蕩；

現(xiàn)象：粉末溶解，無氣體產(chǎn)生。

加入澄清石灰水；

現(xiàn)象：澄清變渾濁。

滴加稀鹽酸；

現(xiàn)象：渾濁變澄清，并有氣泡產(chǎn)生。

由此證明，產(chǎn)物中有碳酸鈉。

②向實驗二燒瓶中加一些蒸餾水，振蕩；

現(xiàn)象：黑色固體物質不溶。

③把經(jīng)洗滌、過濾、干燥的黑色固體放入燒瓶中，加入適量濃硫酸；

現(xiàn)象：黑色固體不溶。

④加熱此燒瓶。 現(xiàn)象：有一股淡淡的刺激性氣味的氣體產(chǎn)生。

⑤把此氣體通入淺紅色的酸性高錳酸鉀溶液。

現(xiàn)象：淺紅色變?yōu)闊o色。

由此證明，產(chǎn)物中有碳單質。

以上實驗證明：鈉能與二氧化碳反應生成碳酸鈉和炭。

分析說明

由于鈉在空氣中燃燒時，生成的黑色固體極少。限于條件，筆者無法進一步做出準確檢測。

這里從“鈉在二氧化碳中燃燒時，燒瓶底部生成較多的黑色固體炭”，大膽推測：鈉在含二氧化碳較少的空氣中燃燒時，也有可能生成極少量的黑色固體炭。

至于“炭”的來歷，可以嘗試著解釋如下：由于空氣是流動的，低含量的CO2會綿綿不斷的與高溫下的鈉反應，這樣就會“聚少成多”，逐漸生成極少量的、可見的黑色固體——炭。

小結：實驗可以說明，鈉在空氣中燃燒時，生成的極少量黑色固體，很可能含有單質碳。

（以上分析說明比較粗淺，敬請批評指正，同時希望能起到拋磚引玉的作用。）

結論

(1)鈉在空氣中燃燒，過程中出現(xiàn)的變色現(xiàn)象：黑色、巧克力色、橙黃色……淡黃色，是過氧化鈉本身在不同溫度時的顏色。

(2)鈉在空氣中燃燒，能與二氧化碳反應生成碳和碳酸鈉。

(3)鈉在空氣中燃燒，產(chǎn)物中出現(xiàn)的極少量黑色固體，可能含有單質碳。

(本文在實驗和成稿過程中得到了華東師范大學王程杰教授的指點和幫助，在此深表感謝！)

參考文獻：

[1]劉懷樂.關于“Na在空氣中燃燒”實驗的教學研究[J].實驗教學與儀器.2005，(4): 3-5.

[2]王庚寅等編.物質燃燒學[M].廊坊：中國人民武裝警察部隊專科學校訓練部，1984:291-292.

[3]徐麗，李禾.監(jiān)測鈉燃燒池溫度的微機系統(tǒng)[J].核工業(yè)自動化.2000，(3):38-39.