鈉與水反應的改進實驗綜述及新設計

劉玉榮 王陽

摘要： 對近四十年來鈉與水反應的實驗進行文獻綜述，依據實驗裝置的相似性對經典的改進裝置進行歸類分析。共分四類，前三類實質是由反應端和貯水端兩部分組成的連通裝置，方便教學演示;第四類是集收集檢驗于一體的注射器改進，適合學生實驗。為了方便學生實驗，聚焦分析注射器的改進案例，簡化鈉與水的接觸方式，設計出更優的實驗方案，更好地發揮實驗在教學中的作用。

關鍵詞： 鈉與水反應; 實驗綜述; 注射器; 實驗創新設計

文章編號： 10056629（2018）12007506中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

鈉與水反應的實驗是高中探究金屬鈉物理化學性質的經典實驗，為了獲取更全面的實驗信息，教育工作者們自20世紀70年代至今一直延續著對該實驗的改進與完善，設計了符合教學需要的各式裝置。然而多數改進因裝置復雜或儀器需特制等原因僅適合教師演示，能讓學生動手操作的很少，而學生的直接參與更有利于鈉性質的探究。本文整理分析了已有的鈉與水反應的創新裝置，簡化鈉與水的接觸方式，設計出適合學生實驗的新方案。

1?鈉與水反應的實驗綜述

現行的蘇教版[1]、人教版[2]、魯科版[3]教材均采用向培養皿（或燒杯）中加適量水，滴入1～2滴酚酞溶液，將切好的鈉投入到水中觀察現象的實驗方案，其中人教版在實驗步驟旁添加提示欄目“注意鈉與溶液的變化，有沒有氣體產生，反應是否放出熱量”來幫助學生聚焦鈉與水反應的實驗觀察點。該方案操作簡單，鈉塊的游動軌跡、形狀變化以及水變紅的現象十分明顯，但是單從鈉塊四處游動并伴有嘶嘶聲難以直觀地推測有氣體產生，并證明該氣體就是氫氣。以往教材也設計有收集檢驗氣體的方案，但因存在安全隱患、操作有難度等原因被現行方案所替代。因此，不少教育工作者在實際教學中依據教學環境、教學需要等原因設計出各式各樣的改進裝置。

以“鈉與水反應實驗”為主題在知網上進行檢索，自1979年至今一直延續著對該實驗的討論，發表文獻共197篇，其中有17篇圍繞鈉的用量、實驗安全、酚酞何時加入等問題展開討論，其余180篇均是實驗裝置的改進，在圍繞儀器的改造及連接方式、實際操作的難易、鈉塊游動軌跡是否便于觀察、收集氫氣的純度、檢驗效果是否明顯等五個方面進行裝置改進，以此提高實驗的安全性和成功率。

其中發表在《化學教育》和《化學教學》的文章共40篇，有關裝置改進的34篇，篩選整理兩期刊中的典型案例，依據實驗裝置的相似性將其分為四類。第一類裝置的原型是《高級中學·化學》[4]中的實驗方案，如圖1所示，用鑷子將鋁箔包裹的鈉塊送到盛滿水的試管口，待反應結束用爆鳴法檢驗收集的氣體。該方案由于操作有難度，收集氣體純度低，難以分辨氣體來源，檢驗氣體存在安全隱患等不足，出現了如表1中所示的裝置改進。這類改進裝置的反應容器均需上下開口的容器如硬質玻璃管、球型干燥管、分液漏斗、去底的廣口瓶等，方便裸露在空氣的一端直接連接尖嘴管或注射器進行氣體的檢驗，產生氣體排出的水則從另一端被壓入外圍的燒杯中。

第二類裝置用集氣瓶作反應容器，用漏斗作為加水和排水的通道，還可與噴泉實驗結合增加現象的趣味性。第三類裝置采用U型管或組裝的連通器，整個裝置分為反應端和貯水端兩部分，貯水端需加長或與漏斗連接。第四類裝置用注射器作反應容器，通過活塞的移動實現氣體的收集與檢驗。

前三類實驗裝置實質均屬一個連通裝置，裝置可分反應端與貯水端，當氣體生成時氣體將反應端的水壓入貯水端，當氣體檢驗時隨著氣體的消耗貯水端的水位下降，同時貯水端的水又會將氣體壓出且沒有殘留。通過上述的分析，鈉與水反應的實驗在改進時裝置需滿足的條件有： ①密封性良好的反應容器;②氣體生成時用來疏通反應容器中水位變化的通道;③檢驗氣體用的尖嘴玻管或針頭。另外實驗還需考慮安全問題，用點燃法檢驗氫氣有爆炸的危險，故必須保證點燃前裝置中沒有空氣或極少量的空氣，又因為在氣體收集前還需將鈉與水隔開，因而鈉與水的接觸方式成為改進成功的關鍵因素，表2詳細列出可供參考的鈉與水隔開的方法。

2?鈉與水反應的新設計

2.1?注射器改進實驗分析

在教學條件允許的情況下，以上改進裝置需要經過特制、改造和專門組裝后才能投入日常教學的使用，并且大多數裝置只能用作教師演示實驗，難以實現學生分組實驗。第四類注射器的改進實驗因材料來源方便、裝置密封性良好、收集檢驗一體化等優點適合學生動手實踐。現有注射器的改進案例共四例，具體的實驗裝置圖、操作方法、創新點以及不足詳見表3。

對比上表中各實驗的優缺點，可以得出進一步改進此類實驗的幾點思路： 第一，鈉與水接觸方式的簡便性是實驗易操作、成功率高的關鍵因素，故應減少輔助材料的使用;第二，注射器的內筒空間小，鈉塊用量少，反應劇烈程度在可控范圍內，另為了保證鈉與水的充分接觸，故不需要在吸水前吸入煤油;第三，在膠塞密封針頭前，為了防止吸水過程中鈉與水反應產生的氣體氣流將液體從針頭嗆出，應將針頭朝上從另一個容器中吸水;第四，為了收集全部的氣體，在用橡膠塞密封注射器針頭前應將鈉與水隔開。

2.2?實驗新設計與創新點

基于以上實驗的分析和對金屬鈉性質的研究，經過反復的嘗試與改進，設計出用注射器作為實驗裝置方便學生操作并成功率高的新方案，詳見圖2。

實驗用品： 鈉、酚酞溶液、蒸餾水、帶針頭的30mL注射器（1支），帶軟塞的塑料輸液瓶（1個），橡膠塞（1個）、酒精燈

實驗操作：

（1） 拔下活塞芯桿，將3/4綠豆大小的鈉塊放入注射器針筒前端出水口邊上的位置，按上活塞芯桿用力推壓，直至推不動為止，反復抽出推進，保證將鈉塊粘附在注射器前端偏離小孔的位置，見圖2①。往回拉活塞1mL，預留1mL的空氣。

（2） 將注射器針頭傾斜向上，從盛有水（滴入幾滴酚酞溶液）的輸液瓶中緩緩吸水6mL，注意調整注射器傾斜的角度防止鈉與水接觸，見圖2②。

（3） 保持注射器傾斜角度不變，用橡膠塞密封注射器的針頭，見圖2③。倒轉，針頭朝下，水與鈉接觸開始反應，鈉上浮到水面，可以觀察到鈉熔成小球，活塞不斷向上移動至21mL的刻度處，見圖2④。

（4） 反應停止后拔掉橡膠塞將注射器針頭斜向上，靠近酒精燈的火焰，勻速緩慢推動活塞芯桿，點燃氣體，可以看到氫氣安靜地燃燒，見圖2⑤。

創新點：

（1） 利用金屬鈉很軟的物理性質，將鈉塊粘附在注射器針筒內壁的前端，在鈉與水接觸反應前只需預留1mL空氣將鈉與水隔開，無需借助膠囊、濾紙等輔助材料包裹鈉塊，保證了鈉與水接觸的簡潔性。

（2） 鈉的用量較少，注射器空間小，鈉上浮后在水面四處游動的現象十分明顯。

（3） 實驗操作簡單，減少了實驗過程中因借助輔助儀器材料等引起的不可控因素，保證反復操作的成功率。

注意事項：

（1） 實驗用30mL的注射器，鈉塊應控制在1/2～4/5綠豆大小，水的吸入量控制在5～6mL，防止鈉塊用量過大，生成的氣體超出注射器的量程，氣體將注射器活塞彈出。

（2） 實驗操作第（3）步鈉塊與水接觸上浮至水面游動的過程中，鈉塊會迸濺到注射器針筒的內壁上，需及時晃動注射器避免鈉與內筒的粘附，防止鈉與水反應放出的熱量將塑料注射器內筒燒熔后鈉塊從注射器中彈射出發生危險。

3?小結

在高中階段鈉與水反應的實驗是研究鈉性質的重要實驗，本文依據實驗裝置的相似性對已有的改進歸類分析，認為鈉與水隔開的方法是改進實驗成功的關鍵。其中注射器的改進實驗因材料來源方便、裝置密封性良好、反應收集檢驗一體化等優點作為學生的分組實驗無疑是不錯的選擇。目前教材中的實驗雖未設計氣體的收集與檢驗，但實驗現象直觀清晰，起著不可替代的作用。所以在實際教學中，可以把課本實驗作為教師的演示實驗，順勢提出問題，引導學生分析生成氣體的成分并設計實驗證明，在學生充分討論的基礎上，用以上新設計的實驗收集并檢驗氣體。這樣學生不僅能根據實驗現象得出鈉與水反應的氣體產物，而且體驗了科學探究的過程，深化了“通過實驗收集證據——根據證據進行合理推理——得出結論”的化學思維方式。

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