關于金屬鈉與硫酸銅溶液反應的思考

顏標峰

摘要：金屬鈉與硫酸銅溶液的反應是承接初中化學金屬通性研究思路與高中化學典型金屬性質研究思路的有效例證。在課堂中引入金屬鈉與硫酸銅溶液反應的實驗，分析其反應原理，有利于學生體驗從已知到未知的學習過程。

關鍵詞：金屬鈉；硫酸銅溶液；實驗；反應原理；改進

文章編號：1008-0546（2017）08-0084-01 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.08.028

高中元素化合物的學習從金屬鈉開始，鈉對學生來說既熟悉又陌生。熟悉的是鈉元素，氯化鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉等物質中都有鈉元素，陌生的是鈉單質。鈉單質在日常生活中鮮有出現，學生對其性質知之甚少。

初中教材中，出現金屬鈉的地方有兩處：其一是在“原子的結構”一節中，以金屬鈉與氯氣的反應為例，介紹離子的形成；其二是金屬活動性順序表，金屬鈉作為活潑金屬的代表出現在順序表中。此外，學生通過初中化學的學習，已掌握金屬性質研究的一般思路與方法，即金屬與氧氣的反應、金屬與酸的反應和金屬與鹽溶液的反應。這些知識和方法的基礎為金屬鈉的學習提供了研究起點。

然而，高中教材中，金屬鈉的內容編排思路并未高度契合學生的認知基礎。研究鈉與氧氣的反應后，教材中研究的是鈉與水的反應。教材中設計鈉與水的反應，“在燒杯中加一些水，滴入幾滴酚酞溶液，然后把一小塊綠豆大的鈉放入水中。”實驗本身不難，但此實驗的出現令人費解：其一，金屬鈉與水的反應與學生已有的研究金屬性質的一般思路有異，學生不清楚為什么要研究鈉與水的反應；其二，金屬鈉與水反應的實驗中，為什么會事先滴入酚酞，這樣的設計有沒有道理？基于這樣的思考，筆者嘗試引入金屬鈉與硫酸銅溶液的反應，以此為切入口，引導學生關注鈉的特殊性質。

一、金屬鈉與硫酸銅溶液反應實驗的功能

金屬鈉與氧氣可以反應，反應條件不同，產物也不同；作為金屬單質，與鹽溶液發生置換反應也是一個重要的性質，如果將鈉加入硫酸銅溶液中，會產生什么現象呢？學生預測現象后，教師演示鈉與硫酸銅溶液反應的實驗，學生觀察實驗現象。實驗的實際現象與學生預測的現象不同，引導學生關注差異：溶液中并未產生紅色固體，而是生成藍色絮狀沉淀。藍色絮狀沉淀，學生非常熟悉，即為氫氧化銅。此時引導學生思考，銅離子來自何處？氫氧根離子來自何處？學生很快注意到，銅離子由硫酸銅提供，氫氧根離子是新生成的。氫氧根離子可能是如何產生的？引導學生關注元素種類，學生猜想是金屬鈉與水反應生成的。如何證明金屬鈉與水反應會生成堿性物質？此時，教材上金屬鈉與水反應的實驗以解決問題的形式得以呈現，流暢自然，實驗承載的功能也發揮得更為充分。

二、金屬鈉與硫酸銅溶液反應實驗的操作

金屬鈉與硫酸銅溶液的實驗在操作時，硫酸銅溶液宜稀不宜濃。金屬鈉加入稀硫酸銅溶液中，隨著金屬鈉的游動，會產生一條一條藍色的紋路，隨即可以觀察到藍色絮狀沉淀逐漸下沉的現象；如果金屬鈉加入濃硫酸銅溶液中，金屬鈉在游動過程中會形成一個火球，劇烈燃燒，并伴隨產生部分黑色固體。原來，金屬鈉投入濃硫酸銅溶液中，由于銅離子濃度大，金屬鈉游動時，在溶液表面形成一層沉淀膜，使鈉的移動速度變小，表面聚集的熱量無法釋放，從而達到鈉的著火點。另外，部分氫氧化銅在鈉燃燒釋放的熱量作用下發生分解，產生黑色的氧化銅，影響實驗現象的觀察。

金屬鈉與硫酸銅溶液反應，切取的鈉塊以綠豆大小為宜。鈉塊過小，現象不明顯；鈉塊過大，一方面反應劇烈，不便于控制，另一方面，放出的大量熱量會引起氫氧化銅的分解。

三、金屬鈉與硫酸銅溶液反應原理的解釋

金屬鈉與硫酸銅溶液的反應，不是金屬鈉置換硫酸銅中銅離子的反應，而是金屬鈉置換水中氫離子的反應。這在學生的認知中，并不合理。按照金屬活動性順序分析，銅的還原性比氫的還原性弱，因此，銅離子的氧化性比氫離子的氧化性強。通過氧化還原反應的先后律判斷，金屬鈉與硫酸銅溶液反應時，應該先與銅離子反應，為何結果并非如此？

引導學生查閱講解離子反應時，教材中的一張圖片：氯化鈉在水中的溶解和電離示意圖。學生閱讀圖示后，恍然大悟，原來離子在水溶液中主要以水合離子的形式存在，銅離子表面有聚集的水分子，金屬鈉先與其發生作用。

四、金屬鈉與硫酸銅溶液反應實驗的改進

金屬鈉與硫酸銅溶液反應時，先與銅離子表面聚集的水分子作用，如果將表面的水分子完全消耗，金屬鈉是否能與銅離子作用？

依照此實驗設計思路，筆者將金屬鈉制成片狀，在其表面滴加一滴硫酸銅溶液，觀察到金屬鈉表面有少量紅色固體產生。

此外，如果將銅鹽溶于一種不與金屬鈉反應的溶劑中，也能實現金屬鈉置換銅的可能。例如將溴化銅的丙酮溶液滴加在鈉片上，可觀察到紅色固體的生成。

在開發金屬鈉與硫酸銅溶液反應實驗的過程中，筆者有兩點很深刻的感受：第一，教學設計的環節要講道理，不能將內容散點狀地灌輸給學生，而是讓學生從已知走向未知，逐漸構建科學認識的體系。就像教材中金屬鈉與水的反應，不是在學生已有體系中生長出來的，當面臨這種問題時，教師可以嘗試建構更緊密的知識連接；第二，教材資源豐富，可供選擇和使用的素材很多，例如氯化鈉的溶解和電離示意圖，能很好地幫助學生理解金屬鈉與硫酸銅溶液反應時，先與水作用的反應事實。

參考文獻

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