鉀與水反應實驗的新設計

王建芬??

摘要： 現行高中化學教材中的鉀與水反應實驗，沒有證明有氫氣生成，學生觀察實驗后容易產生疑惑。利用一次性注射器、玻璃兩通管和橡膠塞等實驗用品，通過巧妙加工、設計和組裝實驗新裝置，能清晰給出相關實驗現象，很好地證明了鉀與水反應既可生成氫氧化鉀又可生成氫氣的重要結論，從而打消了學生的疑慮，提高了教學質量。

關鍵詞： 鉀與水反應； 氫氣； 實驗改進

文章編號： 10006629（2018）8006303 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題提出

現行高中化學教材[1]鉀與水反應的實驗方法是： 在燒杯中放入一些水，然后取綠豆粒大小的鉀，用濾紙吸干表面的煤油，把它投入燒杯中，觀察它與水反應的現象（如圖1所示）。反應完畢后，向燒杯中滴入幾滴酚酞試液，觀察溶液顏色的變化。現行教材對鉀與水反應實驗現象作了解釋，其觀點是：“鉀與水反應比鈉與水的反應更劇烈，反應放出的熱可以使生成的氫氣燃燒，并發(fā)生輕微的爆炸，證明鉀比鈉的金屬性更強。”但好奇的學生看完實驗后提出了與教材不同的觀點，他們認為：“金屬鉀與水反應時，在水的表面上燃燒，不一定是生成的氫氣在燃燒，很有可能是金屬鉀與水反應時達到了金屬鉀的著火點，是金屬鉀本身在水面上燃燒。”事實果真如此嗎？實踐是檢驗真理

的唯一標準，帶著這一問題，對實驗進行了探索。利用一次性注射器、兩通玻璃管、橡膠塞等，自行設計了可以證明鉀與水反應生成氫氧化鉀和氫氣的實驗裝置，通過實驗解決了兩種觀點孰是孰非問題，深受學生的歡迎。

2 現狀分析

通過查閱大量教學期刊發(fā)現，關于鉀與水反應實驗的研究論文并不多見，然而這些研究論文所報道的實驗方法或多或少都存在一些問題。有的實驗方法[2]雖然簡單，但當金屬鉀與水接觸的瞬間實驗裝置中氣球容易燙壞而破損，造成實驗失敗；還有的實驗方法[3]雖有可能控制金屬鉀與水反應生成的氫氣的燃燒，但很難得到純凈的氫氣，更談不上對氫氣的檢驗。因此筆者認為，到目前為止，一直沒有從根本上解決鉀與水反應產生的氫氣可收集并可通過實驗加以驗證的問題。針對這種情況，有必要對實驗作進一步改進。我們利用常見的實驗用品，通過潛心研究，巧妙加工和組裝，設計了簡單、合理的實驗裝置，達到了理想的實驗效果，從而解決了教學中的實際問題。

3 設計思想

現行高中化學教材中鉀與水反應的實驗有其所長，但沒有證明有氫氣生成，也沒有證明究竟是鉀與水反應生成的氫氣在燃燒，還是熔化的金屬鉀在燃燒。為此，作為改進設計的新實驗方法必須能夠證明兩個問題： 一是金屬鉀能夠跟水反應，但本身并不燃燒；二是金屬鉀與水反應能夠生成氫氧化鉀和氫氣，生成的氫氧化鉀用無色的酚酞試液進行檢驗，而生成的氫氣則可以通過點燃加以驗證。因此，進行實驗時，必須分兩步進行，首先是金屬鉀與水反應實驗，然后是氫氣檢驗實驗。

4 設計方案

依據實驗的設計思想，要想保證鉀與水發(fā)生反應生成氫氣但不燃燒，必須使兩者在一個隔絕空氣的條件下進行，此外，生成的氫氣還能通過實驗來檢驗。由于鉀與水發(fā)生反應是放熱的，并且生成了氫氣，封閉的體系內壓強會發(fā)生變化，這就要求反應器必須具備兩點： 一是整個反應器必須密封；二是反應器必須可以自動調節(jié)壓強。利用一次性注射器的上下可移動性可使反應器內外壓強保持平衡；兩通玻璃管的透明性和耐高溫性可以保證實驗的可觀察性和堅固性；使用橡膠塞可以使反應器密封性良好。通過對這些實驗用品的巧妙處理和組合可以很好地解決實驗裝置既可密封又可自動調壓問題，反應生成的氫氧化鉀用無色的酚酞試液進行檢驗，得到的純凈的氫氣則用點燃的方法加以驗證。

5 實驗原理

（1） 金屬鉀與水反應： 2K+2H2O2KOH+H2↑。

（2） 檢驗氫氣： 2H2+O2點燃2H2O。

（3） 指示劑變色： 酚酞試液遇氫氧化鉀溶液變紅。

6 實驗方法

6.1 實驗用品

一次性注射器（50mL）2支、兩通玻璃管（2×12cm）1根、3號橡膠塞2個、大號注射針頭3根、酒精燈1盞、火柴1盒、玻璃片1塊、小刀1把、蒸發(fā)皿1個、玻璃棒1根、膠頭滴管1支、打孔器

金屬鉀、蒸餾水、酚酞試劑、洗衣液

6.2 儀器加工與組裝

（1） 取一個3號橡膠塞，用打孔器在小頭端打一個直徑4mm、深4mm的凹形小孔洞，從大頭端中央插入一根大號注射針頭，并使針尖下端穿出恰好與橡膠塞的小頭端凹形小孔洞在同一個平面內（如圖2所示）。

（2） 用小刀在玻璃片上切割一塊綠豆粒大小的金屬鉀，放到橡膠塞的凹形小孔洞內（要求金屬鉀充滿整個孔洞，使孔洞內的空氣全部排盡），且正好讓注射針頭穿過金屬鉀并露出針孔（如圖3所示）。

（3） 取一根兩通玻璃管，在其下口處塞上一個3號橡膠塞，然后將另一根大號注射針頭從膠塞大頭端中央向小頭端的中央穿透；將一次性注射器吸滿滴有酚酞試液的蒸餾水，并與此針頭連接好。稍向上推注射器的注射栓，使少量蒸餾水酚酞混合液進入玻璃兩通管內；用滴管向玻璃管內滴入蒸餾水酚酞混合液至距離上管口3cm處。然后將兩通管的上口處塞緊帶有金屬鉀的橡膠塞（如圖4所示）。

6.3 操作及現象

（1） 鉀與水的反應： 儀器垂直組裝好后，用力上推注射器1的注射栓，使蒸餾水與酚酞的混合液迅速充滿兩通玻璃管，使空氣排出管外，當液面與孔洞內的金屬鉀接觸時，立即發(fā)生反應（2K+2H2O2KOH+H2↑），

可觀察到金屬鉀顆粒變成一個熔化的小球從孔洞內落

下并浮在水面上無聲地迅速移動，溶液隨之變紅（此時注射器的注射栓用手握住不動），說明鉀與水反應生成了氫氧化鉀。當產生的氣體將兩通玻璃管內的空氣向外排盡時，迅速將注射器2與兩通管上口膠塞上針頭連接，此時反應繼續(xù)進行，產生的氣體被密封在兩通玻璃管和注射器2內（如圖5所示： A一次性注射器2；B兩通玻璃管；C和D蒸餾水與酚酞試液混合溶液；E一次性注射器1）。

（2） 氣體的檢驗： 上推一次性注射器1的注射栓或上提一次性注射器2的注射栓，使生成氣體全部進入到一次性注射器2的注射管內。

（3） 在蒸發(fā)皿中加入20mL蒸餾水，加入5mL洗衣液（作為發(fā)泡劑），用玻璃棒攪拌均勻。

（4） 將充有氣體的一次性注射器2取下（上下方向不變），安裝上另一個大號注射針頭，將針 管內的氣體少許推入到蒸發(fā)皿內的洗衣液里，可觀察到產生的氣泡向空中緩緩漂動，用火柴點燃時，與空氣中的氧氣發(fā)生反應（2H2+O2點燃2H2O）產生爆鳴聲，說明鉀與水反應生的氣體是氫氣。

（5） 點燃酒精燈，將一次性注射器2內剩余的氣體推到火焰上，又可發(fā)現該氣體可以安靜地燃燒（2H2+O2點燃2H2O），并產生淡藍色火焰，也可說明該氣體是氫氣。

通過上述實驗可知，金屬鉀與水發(fā)生反應時，在隔絕空氣的條件下觀察不到金屬鉀表面燃燒的實驗現象，也沒有輕微的爆炸聲。金屬鉀與水發(fā)生反應時由于可以收集到純凈的氫氣，氫氣點燃時才有爆鳴聲或爆炸聲。由此說明教材中所述的實驗現象是符合客觀事實的，也是完全正確的，確實是金屬鉀表面生成的氫氣達到了著火點以后被點燃而燃燒。實驗現象清晰，事實證據充分。

7 實驗優(yōu)點

（1） 利用一次性注射器、兩通管、橡膠塞等制作的實驗裝置，取材容易，制作簡單，操作方便，現象明顯。

（2） 作為教材實驗的補充，可以證明金屬鉀與水反應生成氫氧化鉀和氫氣。

（3） 實驗裝置除了可應用到金屬鉀與水的反應外，還可以用于金屬鈉與水的反應和金屬鈉與乙醇的反應。

（4） 該實驗不僅解決了教學中的實際問題，而且還可利用點燃在空中漂浮的氣泡的方法，證明鉀與水反應生成的氣體是氫氣，以提高學生的學習興趣。

參考文獻：

[1]人民教育出版社化學室編著. 全日制普通高級中學教科書·化學（必修）（第一冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2003： 37.

[2]齊俊林， 趙立國. 鉀與水反應實驗的改進[J]. 教學與管理， 2009， （8）： 74.

[3]顧斌. 巧做鉀與水反應的實驗[J]. 中學化學教學參考， 2004， （4）： 39.