鈉燃燒實驗系列問題的探究

鄭少綿+陳裕森+陳國良+林珩

摘要：為提高鈉在空氣中燃燒的最佳觀看效果進行實驗改進，對其燃燒過程生成物呈現的顏色變化進行系統的實驗探究，得出鈉在空氣中燃燒過程存在Na2O2與NaO2的轉化且Na2O2顏色為白色的結論。

關鍵詞：鈉燃燒現象；NaO2；Na2O2；實驗探究

文章編號：1005–6629（2017）6–00079–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 研究目的

鈉在空氣中的燃燒是高中化學中對堿金屬性質認識的一個重要實驗，本文從鈉燃燒過程的最佳觀賞效果角度出發，通過多次實驗得出最佳實驗方案。雖然已有人對過氧化鈉的顏色進行過研究，但是還沒有以鈉燃燒實驗整體為對象進行系統探究并總結的。為此，本文結合已有文獻和對實驗的探究，對鈉燃燒過程的顏色變化做一個比較系統的討論和總結。

2 研究現狀

以“鈉的燃燒”為關鍵詞，從知網搜查由1980年至今的相關文獻，得出對鈉的燃燒實驗改進和燃燒過程的問題進行探討的文獻共有42篇，根據研究角度的不同，對所有文獻提供的探究信息分類如表1所示。

由表1可以看出從觀察角度和為得到更多淡黃色產物進行實驗改進的研究者居多；對燃燒過程出現的黑色物質進行研究改進的也不少，主要是以煤油和空氣中的CO2的影響為出發點；對產物顏色變化進行探討并系統研究的則鳳毛麟角，且都為高校研究者，文章發表時間也為最近這幾年，說明近幾年學界中對鈉的燃燒產物顏色變化的問題研究不再局限于實驗外界環境，開始從內部原因進行探究，這也使得我們離鈉的燃燒產物顏色變化的這一實驗謎題的真相越來越近。本文從觀察最佳效果的實驗改進出發，相對系統和完整地對鈉燃燒實驗問題進行系列的實驗探究。

3 藥品和儀器

金屬鈉塊、MnO2粉末、H2O2溶液、濃硫酸、工業Na2O2粉末、高硼硅耐高溫培養皿（90mm）、厚2mm鋁片、小刀、玻璃片、鑷子、濾紙、酒精燈、火柴、三腳架、坩堝鉗、硬質玻璃通管、分液漏斗、大試管、玻璃導管、橡膠塞、集氣瓶、燒杯、坩堝、泥三角

4 最佳效果實驗

通過查閱文獻和多次實驗后，筆者得出實驗效果最佳的方案為以培養皿為燃燒皿，在鋁塊上進行鈉的燃燒。

4.1 實驗操作及現象

實驗裝置如圖1所示，點燃酒精燈，將2mm厚的鋁片在酒精燈上先加熱10s，接著放于培養皿上，并預熱，切取黃豆大小金屬鈉塊（擦干鈉塊表面煤油并切除表面氧化層后）放在培養皿上鋁片（鋁片起隔熱防止培養皿炸裂的作用）正中間。從培養皿邊沿就可以觀察到鈉很快熔化成半球狀，約4s后半球面變黑，20s后開始冒火星，并迅速劇烈燃燒起來，這一過程中產物迅速由黑色轉化為棕色最后為黃色的珊瑚狀固體，最后黃色固體變成帶有少許黃色的白色固體。

4.2 實驗分析及疑問

該實驗改進之處是用高硼硅耐高溫培養皿和2mm厚的鋁片來進行鈉的燃燒，原因為：①由于培養皿是透明玻璃材質，學生觀看實驗過程視覺效果好，如圖1所示；②不直接將鈉放在培養皿上燃燒而是加了2mm厚的鋁片，目的是解決鈉燃燒過程局部溫度過高使培養皿炸裂的問題；③避免培養皿與鈉直接接觸反應，降低雜質影響，使得燃燒產物效果更好。

筆者在實驗過程產生的疑問：①鈉的燃燒產物為何是呈現黑色、棕色到黃色的顏色變化；②黃色固體最后為何變成白色。

根據實驗產生的疑問進行相關文獻查閱：較多文獻將鈉燃燒過程產生的黑色物質歸結為鈉表面殘留的煤油燃燒或高溫下鈉與空氣中的CO2反應置換出C，而將最后的淡黃色固體轉變成白色固體則大多解釋為Na2O2與空氣中的CO2反應生成了Na2CO3。朱心奇、范廣、李俊生等對Na2O2的顏色進行了探究，認為過氧化鈉在不同溫度下呈現不同顏色，白色狀態是過氧化鈉的最穩態[1～3]。

5 鈉的燃燒過程顏色變化的實驗探究

為了探討鈉在空氣中燃燒產物呈現黑色、棕色到黃色的顏色變化的原因，筆者進行了鈉在純氧下燃燒的實驗。

5.1 實驗操作及現象

實驗裝置如圖2所示。切取綠豆大小鈉塊（擦干鈉塊表面煤油并切除表面氧化層后），置于通管的鋁片（鋁片起隔熱防止通管炸裂的作用）上，啟動氧氣的制取裝置經濃硫酸干燥后，進入通管，排盡裝置的空氣，用酒精燈加熱墊有鋁片處的通管（整個過程氧氣制取一直進行著，通滿整個實驗裝置）。實驗現象：鈉很快熔化成半球狀，約65s后半球面變黃，接著從黃色平面的中心開始變黑，冒火星，并迅速劇烈燃燒起來，少量黑色熔融狀物質溢出鋁片平面，流到玻璃管壁，同時很快由黑變棕色，再變黃，也很快變成略帶黃色的白色固體；而鋁片上的產物也迅速由黑色轉化為棕色接著變為黃色的珊瑚狀固體，最后黃色固體變成帶有少許黃色的白色固體，鋁片上產物顏色變化的時間比流到玻璃管壁上的產物長。

5.2 實驗結果分析

觀察鈉的燃燒過程，黑色物質是先從中心溫度最高處產生，再擴散到邊緣，且由于鈉塊較大，使熔融狀產物流到玻璃壁上這一實驗“事故”，反而有了一個對照實驗。說明溫度是影響鈉的燃燒產物顏色變化的主要原因。即在同一條件下，玻璃壁的溫度較鋁塊的溫度低，因此產物由黑色、棕色、黃色再到白色這一顏色變化過程快。

通過本實驗筆者認為可以得到以下結論：

（1）“黑色物質是殘留的煤油燃燒不充分引起的”結論不成立。原因有三點：①由于已經擦干鈉表面的煤油并切除鈉表面氧化層，所以燃燒的鈉表面的煤油影響基本可忽略；②通過計算得出金屬鈉的原子間間隙為0.85A9，煤油分子約為0.18A9

，考慮到金屬原子間有間隙，煤油分子可進入間隙中這一原因，筆者通過查閱資料得煤油燃點為180～310℃，鈉燃燒時溫度為500～1000℃，所以當鈉燃燒時，煤油早已燃盡或揮發；③當煤油燃燒不充分時會產生黑煙即炭黑，但是本實驗為純氧環境下，全程只產生白煙并無黑煙，所以“黑色物質是殘留煤油燃燒不充分引起的”假設不成立。

6.2 實驗結果分析

觀察過氧化鈉高溫受熱過程，顏色逐漸加深，接著從中間部分變淺棕色和趨向黑色液態狀物質，這和鈉燃燒的顏色變化幾乎是個相反的過程，發生了如下反應：

7 對鈉燃燒實驗系列問題探究對中學化學教學的意義

化學是一門以實驗為基礎的學科，教師在形成實驗結論時必須科學嚴謹，不應人云亦云。對鈉燃燒產物，許多教師對于淡黃色固體后期變為白色固體的問題解釋含糊不清，同時為追求質量高的鈉燃燒產物——淡黃色固體而付出很多無用功。這就要求廣大中學化學教師應努力提高自己的理論知識和實驗研究能力，對中學教材的研究應該與科研實驗相結合，不應局限于中學課本。對鈉燃燒實驗系列問題的探究正是一個能豐富教師專業知識和提高教師研究能力的很好案例，中學教師應該具有勇于挑戰教材中存在爭議的內容的精神。同時對鈉燃燒實驗系列問題探究過程及結果也能讓中學化學教師根據學生特點和實際情況進行有針對性的教學設計，這一過程不僅為解決學生的疑難問題提供比較科學準確的素材，也能培養學生對實驗、對科學應秉持大膽猜測小心論證的思維方式，是一個能有效提高學生化學核心素養的不錯案例。同時，由于將要重新改編課標，所以建議在編寫教材時應將這一類學術性錯誤予以糾正，有利于廣大中學教師更好地進行教學。

參考文獻：

[1]朱心奇.過氧化鈉是呈白色還是淡黃色[J].化學教育，2009，（2）：69.

[2][6]李俊生，張笑宇，胡志剛.對過氧化鈉顏色的研究[J].化學教學，2012，（12）：26～28.

[3]范廣，張引莉，孫家娟，徐維霞，馬占營.鈉在空氣中燃燒生成過氧化鈉的熱力學討論[J].大學化學，2011，（12）：79～80.

[4] ю·B. 卡爾雅金.無機化學試劑手冊[M].北京：化學工業出版社，1959：421.

[5] 涅克拉索夫.普通化學教程[M].北京：高等教育出版社，1956：712.