鈉與水反應裝置的趣味化改進

鞏永銳　李忠恒　周麗梅

摘要：采用小試管、透明中性筆、肥皂泡、煤油等一系列常見用品對鈉與水反應裝置進行改進，改進后的裝置不僅能驗證氫氣的產生，同時還能比較鈉、水、煤油三者的密度。改進后的實驗有現象明顯、易于觀察、裝置簡單、趣味性強等特點。

關鍵詞：鈉與水反應;裝置改進;實驗改進

文章編號：1005-6629（2021）05-0069-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1教材實驗分析

魯科版和人教版高中化學教材對鈉與水反應的實驗均采用了最簡單的實驗方案，即在敞口的燒杯中滴加幾滴酚酞試劑，然后將綠豆大的鈉粒投人水中，根據溶液顏色的變化可知有NaOH生成。然而，推動鈉粒四處游動的H₂卻只能根據氧化還原理論加以推導得出，無法驗證H₂，缺乏說服力。

2改進實驗分析

針對教材中實驗裝置的不足，許多化學教育工作者進行了多方面的改進，比較有代表性的有以下四類。

方案一：裝置如圖1所示。切一塊略大于漏斗頸內徑的鈉塊，置于漏斗中。向盛有水的培養皿中滴入2～3滴酚酞指示劑，將裝有鈉的漏斗倒扣入培養皿中，觀察現象。點燃漏斗尾部，看見燃燒現象，取干燥的燒杯置于火焰上方，燒杯內壁有水珠生成。

方案二：裝置如圖2（a或b）所示。向大試管中加入適量水，液面與瓶塞針尖齊平或略低，小燒杯中加入約30mL肥皂水。瓶塞刺穿器前端有中空的金屬針頭，取下連接有金屬針頭的橡膠塞，用針尖扎入一小塊鈉，蓋回試管，產生的氣體通過針尖前端的小孔進入輸液軟管，到達右邊的燒杯。反應結束后，用燃燒的火柴靠近肥皂泡，觀察現象。

方案三：裝置如圖3所示。截去塑料瓶底，將瓶蓋扎一個小洞，使玻璃導管恰好穿過小孔。向三頸燒瓶內加入適量蒸餾水，關閉尖嘴管活塞，檢驗氣密性后，向三頸燒瓶內滴入2～3滴酚酞指示劑，將502膠水處理過的小塊鈉投入三頸燒瓶內，尖嘴管涂抹適量肥皂泡，觀察現象。

方案四：實驗裝置如圖4所示。取一塊金屬鈉，擦干煤油后，用電子天平準確稱量0.41g。連接裝置，檢查裝置的氣密性。用注射器向溫度傳感器尖端的鈉粒滴加水溶液，用華為閃拍技術記錄鈉融化的整個過程。鈉跌落后，先打開彈簧夾排盡集氣瓶內空氣，再關閉彈簧夾，使內部氣壓逐漸變大，進而形成“噴泉實驗”，最后用燃著的木棒檢驗水槽內冒出的氣泡。

以上四種方法都采用酚酞指示劑檢驗氫氧化鈉，但氫氣的驗證方法、實驗裝置的復雜性、操作難度、成功概率、安全性、趣味性等方面均存在較大差異。其優缺點分析如表1所示。

綜上所述，四個改進實驗各有利弊。方案一裝置簡單，操作簡便，成功率高，但裝置缺少趣味性。方案二中瓶塞刺穿器將針、導氣管作用合二為一，舊物利用，比較環保。但中空針尖的氣孔過小，輸液軟管過細，取用鈉塊時可能會堵塞輸液軟管，或者產生氫氣的速率過快，無法及時排出，存在一定的安全隱患。方案三能從三頸燒瓶內金屬鈉的游動、尖嘴管末端氣泡產生、噴泉實驗等多方面驗證了氣體產生，具有趣味性。然而裝置對氣密性要求過高，噴泉現象不易產生，同時與三頸燒瓶內壁相接的尖嘴管需要定制，部分偏遠山區學校較難滿足實驗條件。裝置四利用溫度傳感器定量地感知反應前后溫度的改變值，燒瓶內氣壓的增大同樣能形成噴泉實驗，運用華為閃拍技術可觀察到反應過程中鈉的變化，根據集氣瓶的大小能近似計算所需金屬鈉的質量，比較節約藥品。但“噴泉現象”不易產生，溫度傳感器、華為閃拍技術等現代化實驗技術很多山區學校并不具備，實用性不強。

3鈉與水反應裝置趣味化新設計

基于上述分析，筆者決定取其精華，采用學生生活常見物品設計出一種鈉與水反應的新裝置，使其更加具有趣味性和安全性，讓每位學生都能參與到裝置的組裝與實驗的設計，直觀感受氫氣的生成。

3.1儀器與試劑

儀器：鐵架臺（帶鐵夾）、小試管一支（10mm×100mm）、小刀、鑷子、濾紙、透明中性筆一支（外徑略小于10mm）、玻璃棒、兩支注射器

試劑：鈉、酚酞指示劑、蒸餾水、煤油、肥皂水

3.2實驗操作及現象

（1）用帶鐵夾的鐵架臺固定住一支小試管，先用一支注射器向小試管內加入3mL左右的蒸餾水，滴入一滴酚酞指示劑，接著再用另一支注射器向小試管內注入約2.5mL煤油。

（2）將中性筆筆芯抽去，筆身部分塞入小試管內，將中性筆尖端涂抹上肥皂水。

（3）用鑷子將金屬鈉從煤油中取出，用濾紙吸干表面的煤油，再用小刀切一塊綠豆粒大小的鈉。

（4）將鈉塊從筆管上部投入試管后，迅速將涂有肥皂水的筆尖裝在筆管上。鈉緩緩地在煤油里下沉，到了煤油與水的接觸界面時，鈉與水反應產生氣泡，氣泡在煤油里面逐漸上升，浸有肥皂泡的筆尖產生了氣泡。同時，鈉在氣體的推動下從煤油里逐漸上升，到距離煤油液面約0.5 cm的位置，又在重力作用下再次下沉，如此循環往復，鈉在煤油層中“上下舞動”。鈉與水接觸，界面處水溶液變紅，鈉與水每接觸一次，可見到溶液變紅的區域逐漸擴大。裝置如圖5所示。

3.3實驗結論

（1）鈉與水接觸后逐漸融化成一個光亮的小球，說明該實驗放熱，鈉的熔點比較低;鈉能沉入煤油底部，與水反應后卻沒有在重力的作用下繼續下沉，而在生成氣體的推動下回到了煤油中，說明p（水）>p（鈉）>p（煤油）;滴有酚酞的水溶液變紅，說明反應后有堿性物質生成。

（2）用玻璃棒將筆尖處變大的氣泡撥向空中，用燃燒的火柴靠近氣泡，聽見“啪”的爆鳴聲，證明該氣體是氫氣。

反應的化學方程式：2Na+2H₂O=2NaOH+H₂↑

3.4實驗注意事項

（1）試管中水和煤油的量一定要適中，太少了不易觀察到鈉在煤油層中“上下舞動”的實驗現象，且鈉浮到煤油層頂部和空氣接觸會引發其他副反應。

（2）鈉的量不宜過多，一般切綠豆粒大一塊即可。太大了反應過于劇烈，存在一定的安全隱患;太小了不易產生足夠的氫氣氣泡，難以驗證氫氣的產生，同時鈉在煤油中上升的高度也會不明顯。

（3）將鈉投人試管后，應迅速將浸有肥皂泡的筆尖部分套上筆身，避免氫氣逸出，導致檢驗時氣泡不夠多。

（4）檢驗氫氣時用玻璃棒將氣泡撥離筆尖，再用燃燒的火柴靠近氣泡，而不能直接在筆尖點燃，防止火星掉入筆筒煤油中引起意外燃燒。

3.5實驗總結與評價

（1）本實驗最大的創新點在于裝置非常簡便，用中性筆作為實驗裝置的一部分，拉近了化學與實際生活的距離。其可操作性極強，尤其適用于偏遠山區基礎設施較落后的學校。

（2）將鈉投入試管后，鈉與水接觸出現在煤油中“上下舞動”的場景，充分激發了學生的思維與想象力，增強實驗的趣味性，也加深了對鈉、水、煤油三種物質密度相對大小的認識。

（3）鈉在與水接觸后會迅速上升，這樣就不會持續地產生氣泡，大大減緩了反應速率，不斷在筆尖端處涂抹上肥皂水，氣泡間歇性生成，可以重復多次用爆鳴實驗驗證氣泡，也可在筆尖端處用小試管收集氣體后再檢驗。

（4）實驗裝置組裝簡便，原理簡單，氣密性良好，實驗成功率很高。不僅適用于教師的演示實驗，學生也可以在教師的指導下選擇合適的筆管自主進行實驗。

（5）實驗現象生動有趣。趣味實驗不僅可帶給學生樂趣，還會引發學生的好奇心，有利于開拓學生的思維，提高學生的實踐能力和創新能力。