鈉在空氣中燃燒實驗的再探究

江智勇++汪斌權

摘要：在文獻調研和實驗探究的基礎上，發現鈉在空氣中燃燒實驗產生的黑色物質不可能是鈉與二氧化碳反應生成的炭黑，而是煤油燃燒不充分所生成的炭黑。同時得出實驗中淡黃色固體產物少的原因是：反應物鈉的用量少、表面的鈉在常溫或較低溫度下生成了白色的氧化鈉和副產物炭黑干擾等三方面因素共同影響的結果。在實驗改進基礎上，找出了此實驗生成易觀察到的淡黃色固體的關鍵操作，以及反應的最佳實驗條件。

關鍵詞：鈉燃燒；過氧化鈉；淡黃色固體；實驗改進

文章編號：1005-6629（2016）2-0048-03

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

基礎化學實驗中的疑難，既有技術層面上的，也有理論（原理）層面上的。盡管見仁見智，但是我們應當承認在這些基礎學科領域里，仍然有許多未知需要我們去探究，去認識，去創新。有些過去認為已經解決的問題，其實并未完全解決，尚有探究的空間。

鈉在空氣中燃燒實驗是高中化學中的重要演示實驗。蘇教版《化學（必修1）》教材有關鈉燃燒實驗沿用了在石棉網上燃燒的傳統方法。人教版只不過把原來在石棉網上燃燒改為在瓷坩堝中燃燒。此演示實驗在實際操作中實驗現象始終不理想，生成黑色物質較多，生成淡黃色固體較少。作為演示實驗，現象不明顯甚至反常會嚴重影響教學效果。為此，筆者對該實驗作了深入的文獻研究和實驗探索，對鈉燃燒實驗上述現象作了成因分析，并改進了實驗裝置，取得了很好的實驗效果。

1 相關文獻調研

筆者查閱了《化學教學》、《化學教育》、《中學化學教學參考》三本中學化學教育類核心期刊。發現有關改進鈉燃燒實驗的研究性文章在期刊上多有報道。對于同一個實驗進行如此廣泛、深入、持久的討論，—方面說明這個實驗的重要性，同時也說明這個實驗還不成熟，還有不少理論和實際問題沒有得到解決，需要我們更深層次的研究。

1.1 產生黑色固體的原因探究

富陽中學董軍老師認為，產生黑色物質可能是：用酒精燈作為熱源，—方面酒精沒有充分燃燒形成細小的炭黑顆粒滲過石棉，導致受熱處石棉變黑；另—方面，酒精燃燒致使局部二氧化碳濃度較大，一部分鈉與二氧化碳發生反應生成了炭黑。

奉化中學王林兆老師通過實驗發現：鈉中煤油的殘余量對本實驗的成敗起著重要作用，鈉表面的煤油是否被濾紙吸收干凈，特別是有無擦干鑷子上的煤油，對炭顆粒生成很有影響。但著名特級教師劉懷樂老師撰文懷疑這種觀點，認為在鈉加熱至熔化再燃燒的整個過程中，溫度很高，容易揮發的煤油不可能還一直停留在那里等待變黑。

朱孝斌在“一堂偏離軌道的探究課”中提出：產生黑色固體是由于空氣中二氧化碳與鈉反應生成的碳單質。

1.2 產生淡黃色固體不多的原因探究

查閱相關文獻發現，鈉在空氣中燃燒，產生淡黃色固體不多的原因可歸納為：①鈉的用量少，導致反應生成的過氧化鈉量少；②石棉網作反應容器所致。石棉網透氣性好，二氧化碳與鈉反應生成炭黑使淡黃色不明顯；③反應溫度過高或過低所致。溫度過低只生成白色氧化鈉；溫度過高使過氧化鈉分解或散逸到空氣中；④過氧化鈉的顏色，即使權威著作也眾說紛紜，沒有統一看法。有學者認為過氧化鈉顏色不是淡黃色而是白色，淡黃色是因為含有超氧化鈉所致。

2 實驗內容

2.1 實驗用品與裝置

實驗用品與藥品：六角螺帽（內直徑2cm左右）、薄鐵板一塊（5cm×5cm左右）、鑷子、濾紙、酒精燈、火柴、小刀、膠頭滴管、金屬鈉塊

實驗裝置如圖1所示，在三腳架上放一塊薄鐵板，并在鐵板中心放上六角螺帽。把鈉塊放在六角螺帽中并用酒精燈加熱鐵板。

2.2 實驗操作及現象

實驗1 取3倍于黃豆粒大小的鈉塊，盡量擦干表面的煤油和鑷子上煤油，放入六角螺帽中，給鐵板加熱。此時可觀察到不規則的鈉塊緩慢縮成表面為白色固體的球體，約2秒后小球表面有少量黑色物質生成。繼續加熱，無新現象出現。

實驗2 繼續用膠頭滴管取少量用于保存鈉的煤油，少量、多次地滴到六角螺帽的小球上。此時發現煤油燃燒的同時，小球表面的黑色物質增多直到黑色物質覆蓋整個小球表面（見圖2、圖3）。

實驗3 另取綠豆粒大小的鈉塊，也不吸干表面煤油，直接在鐵板上加熱（不加六角螺帽）至鈉開始熔化，立即停止加熱，利用余熱加熱。并用干凈的玻棒撥開表面氧化膜，讓內部鈉與空氣充分接觸。冷卻之后，再次用酒精燈加熱，此時，看不到火星，更沒有—點兒淡黃色固體生成，鐵板上只有黑色物質生成。

實驗4 另取3倍于黃豆粒大小的鈉塊，盡量吸干表面的煤油及鑷子上的煤油，放入六角螺帽中加熱鐵板至鈉塊完全熔化。用鑷子取走六角螺帽，此時，鈉球會四處流散開來，由于鐵板處于較高溫度，內部的鈉沖破表面氧化膜與空氣接觸，冒出紅色火星，劇烈燃燒，生成大量淡黃色固體。固體形狀各異，有的呈珊瑚狀，有的像一朵淡黃色的小菊花（見圖4、圖5）。

2.3 實驗解釋及結論

實驗1結論：鈉是極活潑金屬，在取鈉、切鈉、吸干煤油、加熱熔化等實驗操作過程中，表面的鈉與空氣中氧氣反應生成氧化鈉。查資料可知氧化鈉的熔點為1132.0℃，而鈉的熔點只有97.72℃。故鈉塊在加熱時，先熔化成小球，但外面有致密的氧化膜包裹，內部液態的鈉不可能與空氣中二氧化碳或酒精燃燒生成的二氧化碳直接接觸反應。故此時生成的黑色物質不可能是鈉與二氧化碳反應生成的炭黑。

實驗2結論：劉懷樂老師認為煤油易揮發，不可能是煤油燃燒不充分所生成的炭黑。但筆者認為加熱過程中煤油應先燃燒。實驗2不僅證實了煤油確實會燃燒，而且黑色物質即為煤油燃燒所生成的炭黑。

實驗3、4結論：實驗中得不到或很少得到淡黃色固體的原因是多方面的。但筆者通過實驗認為主要有三個原因：首先是鈉的用量太少導致生成淡黃色固體少，使現象不明顯；其次是表面的鈉在常溫或加熱過程中于生成了白色的氧化鈉，故生成淡黃色固體的量更少了.最后是黑色的炭黑、白色的氧化鈉對淡黃色固體顏色的干擾所致。

2.4 鈉燃燒實驗的最佳實驗條件

搞清楚黑色物質的成分和影響生成物顏色的原因之后，就可以總結出得到大量淡黃色固體的最佳實驗條件了。具體見以下五點。

（1）實驗裝置必須改進，因為石棉網上做鈉的燃燒實驗，體系過于敞開，導致燃燒過快，不能很好地控制實驗。瓷坩堝不僅沒有彌補上述缺點，還會引起受熱不均而炸裂。由上述實驗可知，鐵板和螺母作反應容器是不錯的選擇。螺母不僅能把熔融的鈉球很好地固定下來，可以清楚地、持久地觀察到氧化膜以及反應進程，還避免了反應物與二氧化碳直接接觸，同時符合演示實驗裝置簡單、操作簡便、現象明顯、安全環保、重復使用等優點。

（2）加大金屬鈉的用量。用量為原來綠豆粒大小的4至6倍（實驗絕對安全，不像瓷坩堝會炸裂），增加淡黃色固體的生成量，可使現象更明顯。

（3）改用更柔軟、吸水性更好的紙巾盡量吸干鈉表面的煤油，雖然不能完全吸干，但可減少炭黑的干擾。

（4）盡量切去鈉表面的氧化膜，減少氧化鈉顏色對過氧化鈉顏色的干擾。

（5）鐵板的溫度不能太低，一般用酒精燈加熱25秒左右，鐵板溫度控制在300℃至400℃。如果溫度太低，當取走螺母時鈉不會冒出火星，不會燃燒，使實驗失敗。如果取走螺帽時，鈉球沖破氧化膜冒出火星，劇烈燃燒，此時撤去酒精燈，一定能生成較多淡黃色過氧化鈉固體。endprint