由一道試題看金屬鈉與冰醋酸及水反應現象的反常

耿 磊

(吉林省長春市東北師范大學附屬中學 130021)

一、試題再現

醋中含有乙酸，工業上可用乙烯經過一系列轉化合成乙酸，下列判斷正確的是( ).

A．乙烯合成乙酸過程中涉及取代反應和氧化反應

B．向無水乙醇、冰醋酸、水中分別加入鈉，冰醋酸產生H2的速度最快

C．除去乙醇中的乙酸雜質，可先加入CaO固體，然后蒸餾

D．乙醇與鈉反應可以產生氫氣，所以乙醇顯酸性

答案：C

試題中B選項的出現，在學校化學教師中出現了很大的爭議，相當一部分教師認為B選項是正確的.因為羧基羥基氫的活潑性﹥水中羥基氫﹥醇中羥基氫這個結論已經根深蒂固.起初筆者也有點拿捏不準，因此想到用實驗進行驗證，這是一個非常簡單的試管實驗，而且操作也比較方便！

二、實驗驗證

各取5mL冰醋酸和蒸餾水于兩只試管中，分別加入兩塊相同大小的金屬鈉，觀察現象.

實驗發現金屬鈉和水的反應速率比與冰醋酸反應快很多.實驗結果證明上述試題的B選項是錯誤的，金屬鈉與水反應更快一些.那為什么會是這樣的一種結果呢？冰醋酸和水一樣也存在自偶電離，體系中也是存在醋酸合氫離子的，難道是醋酸合氫離子的濃度??？筆者帶著這些問題查閱了相關資料.

三、理論分析

理論上分析由于乙酸呈弱酸性，水呈中性，所以金屬鈉與其反應，應該是乙酸更快.可實際實驗事實是金屬鈉與水反應更快.筆者提出如下幾點原因猜想，以求教于同仁.

1.從自偶電離常數(Ks)角度

來自捷克和德國的研究人員將鈉-鉀合金的液滴投入水中，并利用高速攝像機觀察反應過程的最新研究發現，鈉-鉀合金液體進入水中后僅僅約0.4ms，液滴就分散成大量針尖一樣的小液滴，而周圍的水則變成藍紫色.在觀察的基礎上，他們又利用計算化學方法對這一過程進行進一步分析.結果表明，當堿金屬與水接觸后，堿金屬迅速轉移電子到水中，形成溶劑化的電子(水合電子).“水合電子”中的正一價氫進一步得電子轉化為氫原子，氫原子再相互作用生成氫氣.基于上述金屬鈉與水的反應機理猜測鈉與冰醋酸反應的機理應該與此類似，因此筆者想到乙酸中羧基氫與水中羥基氫的活性及溶劑合氫離子的濃度對反應速率的影響，而溶劑合氫離子的濃度取決于溶劑的自偶電離常數.

筆者查閱了乙酸和水的自偶電離常數,從“常用酸、堿溶劑的性質”表摘錄出一些質子自遞常數的數據如下表(通常溫度時)：

溶劑水甲醇乙醇醋酸硫酸甲酸氨(-50℃)pKs14.016.719.114.53.856.233

通過數據可知，pKs越大，Ks越小，因此醋酸的自偶電離常數比水的自耦電離常數略小，這可能是反應較慢的一個原因.筆者還對比了鈉和乙醇的反應，速率比與乙酸反應還慢(乙醇的pKs為19.1).但由于乙酸和水的自偶電離常數差異不大(但實際反應速率差異較大)，因此筆者認為應該還有其它的原因影響了反應速率.

2.產物的溶解度對反應速率的影響

眾所周知，不選擇石灰石和稀硫酸制備CO2氣體的主要原因是產物CaSO4微溶，附著在CaCO3的表面，從而阻礙了反應的進行.類似的例子還有很多，金屬鈣與水或者氫氟酸反應較慢，是因為生成的CaF2和Ca(OH)2由于溶解度小，阻礙了反應進行；文獻表明金屬鈉與苯酚(羥基酸性比乙醇強)反應速率比與乙醇反應速率慢的最根本的原因是生成的苯酚鈉在苯酚中溶解度小，附著在金屬鈉的表面從而阻止了反應的進行，而乙醇鈉在乙醇中的溶解度較大；同樣鈉與濃鹽酸的反應比水的反應慢，是因為濃鹽酸與金屬鈉接觸的部位有大量氯化鈉生成，氯化鈉在濃鹽酸中的溶解度較小，難以迅速溶解，對溶液與金屬鈉的進一步接觸起了一定的阻礙作用，使反應的劇烈程度降低.

上述大量事實證明，產物的溶解度對反應速率起到了不容忽視的影響.所以筆者猜測金屬鈉與冰醋酸反應生成的乙酸鈉在冰醋酸中溶解度小，從而阻礙了反應的進行.而鈉與水反應生成的氫氧化鈉在水中的溶解度較大，很快溶解在水中，對反應的進行沒有任何的阻礙作用.

3.氫鍵的影響

乙酸的沸點為117.9℃，水的沸點為100℃，因此乙酸中分子之間的氫鍵比水分子中的氫鍵作用強.正是這種強的氫鍵作用約束了羥基氫，破壞這類氫鍵需要更多的能量，所以乙酸與鈉反應比水與鈉反應所需的活化能大，反應速率慢.

四、教學啟示

1.化學是一門建立在實驗基礎上的自然學科，很多問題當理論分析不清楚的時候，需要借助于實驗來加以分析.

2.不能憑借經驗對一些知識點抱以深信不疑的態度，長期以往就會思維定勢.很多問題需要以質疑的態度去探究，大膽求證.只有這樣才能獲取新知，更新舊知！

3.通過這個問題的探究，筆者體會到認識過程是較為復雜的，一個科學結論的得出需要反復加以論證，理論結合實驗.