鈉與水反應(yīng)爆炸原因的實(shí)驗(yàn)再探究

李元華 葉永謙

摘要： 教材中對鈉與水演示實(shí)驗(yàn)后期偶發(fā)爆炸存在不同解釋。通過控制鈉球的游動(dòng)和對其表面積進(jìn)行處理等方法進(jìn)行鈉與水反應(yīng)發(fā)生爆炸原因的探究，發(fā)現(xiàn)存在熔融鈉的小火球爆炸和氫氧混合氣體爆炸兩種爆炸形式。認(rèn)為教材演示實(shí)驗(yàn)存在的偶發(fā)爆炸是熔融鈉的小火球爆炸，并通過實(shí)驗(yàn)證明該爆炸遇水或空氣均可發(fā)生。實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)及探究過程有利于學(xué)生增強(qiáng)證據(jù)推理能力和安全環(huán)保意識，促進(jìn)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 鈉與水反應(yīng); 爆炸原因; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 10056629（2022）06006504

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

鈉與水反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)研究活潑金屬性質(zhì)的重要反應(yīng)，教材中的演示實(shí)驗(yàn)一般是將綠豆大小的金屬鈉投入裝有水的燒杯中觀察現(xiàn)象。最新修訂的魯科版和蘇教版普通高中教科書《化學(xué)（第一冊）》也是如此。由于該實(shí)驗(yàn)后期偶有輕微爆炸的現(xiàn)象發(fā)生[1]，人們對爆炸的原因有多種不同解釋： 孫成斌老師認(rèn)為是鈉與水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣在空氣中燃燒導(dǎo)致的爆炸[2];劉懷樂老師認(rèn)為是反應(yīng)產(chǎn)物過氧化鈉與水接觸生成的氧氣和氫氣混合燃燒導(dǎo)致的爆炸[3];王偉列老師認(rèn)為是反應(yīng)放出大量的熱使水迅速蒸發(fā)，常溫下的水瞬間變?yōu)樗魵?，體積急劇膨脹導(dǎo)致爆炸的發(fā)生[4]。以上三位老師均基于教材演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究。為了進(jìn)一步探究爆炸的原因，曾顯林老師把綠豆大小的金屬鈉置于濕潤濾紙上，使用數(shù)字影像技術(shù)輔助進(jìn)行研究，認(rèn)為爆炸的原因是鈉與水反應(yīng)的產(chǎn)物氫氧化鈉受熱形成無色透明的熔融狀態(tài)小球，該小球與水接觸后因外部急速降溫導(dǎo)致內(nèi)外受熱不均而引發(fā)爆炸[5];捷克化學(xué)家Philip E.Mason、 Pavel Jungwirth等使用室溫下保持液體狀態(tài)的鈉鉀合金裝在注射器注入水中，利用超高速攝影和計(jì)算方法進(jìn)行研究，認(rèn)為是熔融鈉球與水接觸的瞬間，電子從熔融鈉球轉(zhuǎn)移到水中產(chǎn)生鈉離子，鈉離子之間相互排斥導(dǎo)致的庫倫爆炸[6]。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》關(guān)于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分中，要求學(xué)生“能從物質(zhì)及其變化的事實(shí)中提取證據(jù)，對有關(guān)化學(xué)問題提出假設(shè)，能依據(jù)證據(jù)證實(shí)或證偽該假設(shè)”，并“能從宏觀和微觀結(jié)合上收集證據(jù)，能依據(jù)證據(jù)從不同視角分析問題，推出合理的結(jié)論”。鈉在水中反應(yīng)后期偶有爆炸是實(shí)驗(yàn)事實(shí)，對該爆炸的原因存在諸多解釋，通過提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)收集宏觀和微觀的證據(jù)進(jìn)行證實(shí)或證偽，得出合理的結(jié)論，有利于發(fā)展學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)。

2 鈉與水反應(yīng)爆炸的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

教材中鈉與水演示實(shí)驗(yàn)的爆炸是后期偶發(fā)的，為了探究爆炸的原因，需要再現(xiàn)類似環(huán)境下發(fā)生爆炸的過程，再通過攝像回放等方法進(jìn)行研究。如何引發(fā)綠豆大小的鈉球與燒杯中的水反應(yīng)產(chǎn)生爆炸呢？鐘祥日老師觀察的結(jié)果是爆炸往往發(fā)生在鈉球變小至即將消失時(shí)，小鈉球游動(dòng)速度加快并往往游靠在燒杯壁上產(chǎn)生輕微的爆炸，有時(shí)輕微的爆炸還伴隨著小火星，然后鈉球全部消失[7]。鈉球靠在燒杯壁上更容易引發(fā)爆炸，是因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)釋放，溫度瞬間升高引發(fā)小火星導(dǎo)致爆炸。因此，設(shè)計(jì)的方向在于如何使鈉球靠在燒杯壁上反應(yīng)而不四處游動(dòng)。

2.1 利用三角漏斗控制鈉的游動(dòng)方向再現(xiàn)爆炸過程

設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)有兩個(gè)： 一是如何控制鈉球的游動(dòng)方向，讓其往燒杯壁方向游動(dòng);二是接觸到燒杯壁后如何不讓其離開。為了解決以上問題，必須先判斷與水反應(yīng)過程中鈉是否真的處于熔融狀態(tài)。為了判斷狀態(tài)，將鈉投入燒杯水中后，從燒杯底部和水面上兩個(gè)方向分別攝像?；胤女嬅骘@示，鈉在水面以下是銀白色的，而露出水面的部分表面是白色的，說明金屬鈉接觸水后生成的氫氧化鈉并沒有覆蓋在其水面以下部分，水可以不斷與鈉反應(yīng)生成氫氣，不同方向產(chǎn)生的氫氣推動(dòng)鈉球四處游動(dòng)。使用鑷子無法夾起游動(dòng)中的鈉球，鈉球遇鑷子立即分成多個(gè)小球，說明鈉球確實(shí)處于熔融狀態(tài)。

為了讓鈉球往器壁游動(dòng)，可以使用三角漏斗代替燒杯，利用鈉球在三角漏斗水面上游動(dòng)產(chǎn)生的漩渦不斷將鈉球推向漩渦外圍，最終靠在漏斗壁上。漏斗壁與垂直的燒杯壁不同，存在斜面可以讓熔融的鈉球緊貼在其上面。而且鈉球與漏斗壁緊貼的一側(cè)無法接觸水，另一側(cè)接觸水產(chǎn)生氫氣的推力可以使其不再四處游動(dòng)。經(jīng)過試探，使用玻璃三角漏斗因受熱不均易導(dǎo)致破裂，因此改用塑料三角漏斗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)用橡皮塞堵住塑料三角漏斗下管口，漏斗口正面朝上平放在桌面上，加入蒸餾水至液面離漏斗上口邊沿2厘米處，再投入綠豆大小的鈉球（見圖1）。

鈉球與水接觸后游動(dòng)到三角漏斗斜壁上，緊貼在斜壁上與水繼續(xù)反應(yīng)。一段時(shí)間后，鈉球燃燒起來且持續(xù)較長時(shí)間但并未爆炸，燃燒到后期鈉球變成表面為銀白色的小球，燃燒產(chǎn)生的高溫將塑料漏斗燒出一個(gè)小洞。鈉球從洞口掉出熔成小火球，接觸空氣后出現(xiàn)火星四射的爆炸現(xiàn)象。以上現(xiàn)象與上述鐘祥日老師的觀察結(jié)果基本一致，即鈉與水反應(yīng)后期出現(xiàn)的爆炸往往還伴有小火星出現(xiàn)[8]。

2.2 利用502膠水控制鈉的表面積再現(xiàn)爆炸過程

以上實(shí)驗(yàn)利用三角漏斗形成的漩渦成功控制了鈉球的游動(dòng)方向，使其緊靠在漏斗壁上反應(yīng)，再現(xiàn)了鈉球先燃燒后爆炸的反應(yīng)過程。但鈉球的爆炸是在空氣中進(jìn)行而非在水面上進(jìn)行的，如果熔成小火球的鈉球仍在水面上，是否同樣會發(fā)生爆炸呢？在鐘祥日老師的實(shí)驗(yàn)中，還使用沾有煤油的鈉球與水反應(yīng)進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其更容易爆炸。爆炸的原因在于煤油會包裹鈉球使反應(yīng)放出的熱量不易擴(kuò)散，最終燃燒并發(fā)生爆炸。根據(jù)該原理，借鑒502速膠包裹鈉球控制其表面積的做法，設(shè)計(jì)了熔成小火球的鈉球與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。具體方法如下： 先將鈉切成邊長為5mm的小立方體，浸沒在502膠水中，一段時(shí)間后取出在空氣中風(fēng)干。檢查鈉表面是否全部被502膠水覆蓋的方法是： 將處理后的鈉球再投入水中，如果不反應(yīng)說明表面已覆蓋完整。再用醫(yī)用注射器的針頭在鈉表面扎出直徑約為2mm的小孔。2578C410-6FB7-4684-BC2F-344162CFBBE4

將扎孔后的鈉球投入燒杯的水中，鈉球表面小孔不斷冒出氣泡，氣泡推著鈉球四處游動(dòng)，直觀展示了氫氣的推動(dòng)是鈉球四處游動(dòng)的原因。一小段時(shí)間后，一個(gè)小鈉球從孔中游出，表面為白色，與教材演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象相同。再過一段時(shí)間，由于502膠皮的包裹使其內(nèi)部鈉球溫度迅速升高，另一個(gè)鈉球熔成一個(gè)小火球從孔中游出進(jìn)入水面，形成火星四射的劇烈爆炸現(xiàn)象。反應(yīng)后期，燒杯液面上一個(gè)白色鈉球、一個(gè)小火球?qū)Ρ让黠@。

通過以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鈉球爆炸的前提是溫度升高至熔成小火球，小火球在空氣中及水面上都可以爆炸。這個(gè)結(jié)論與王偉列老師的觀點(diǎn)既有相似之處，也有不同之處。相似之處在于都認(rèn)為鈉球爆炸必須先熔成小火球;不同之處在于王偉列老師認(rèn)為爆炸與水蒸氣的體積急劇膨脹有關(guān)[9]。而本實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果是鈉熔成小火球后在空氣中也能爆炸，與是否有水蒸氣無關(guān)。

3 鈉與水反應(yīng)氫氧混合氣體爆炸實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

上述實(shí)驗(yàn)表明鈉球爆炸與水蒸氣無關(guān)，但是否與生成的氫氣有關(guān)呢？孫成斌老師、劉懷樂老師等均認(rèn)為爆炸與氫氣有關(guān)，前者認(rèn)為是空氣的存在導(dǎo)致不純氫氣的爆炸[10];后者認(rèn)為是過氧化鈉與水接觸生成的氧氣與氫氣混合燃燒導(dǎo)致的爆炸[11]。為了進(jìn)一步厘清教材演示實(shí)驗(yàn)后期的爆炸與氫氣是否有關(guān)，必須設(shè)計(jì)類似環(huán)境下氫氧混合氣體爆炸的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比。

3.1 利用錐形瓶留住部分氫氣再現(xiàn)混合氣體爆炸過程

與前述原因相同，由于鈉與水反應(yīng)后期的爆炸是偶發(fā)的，要研究爆炸是否與氫氣有關(guān)，必須再現(xiàn)有氫氣參與的爆炸過程進(jìn)行研究。教材中鈉與水的實(shí)驗(yàn)在燒杯中進(jìn)行，由于燒杯敞口有利于氫氣的擴(kuò)散，無法設(shè)計(jì)氫氣參與的爆炸實(shí)驗(yàn)。為了將部分氫氣留在體系中參與爆炸過程，可以縮小敞口程度，將燒杯改為錐形瓶。將綠豆大小的鈉球投入裝在錐形瓶的水中，鈉球先游動(dòng)后緊靠在瓶壁與水反應(yīng)，一段時(shí)間后開始燃燒，燃燒后瞬間引起爆炸并形成巨大的氣體沖擊力，爆炸過后錐形瓶液面上籠罩一層水霧。這種混合氣體的爆炸與鈉的小火球火星四射的爆炸不同，后者并沒有產(chǎn)生明顯的氣體沖擊力。這個(gè)實(shí)驗(yàn)具有安全警示意義，即鈉與水反應(yīng)容器必須是敞口程度大的儀器（如燒杯或培養(yǎng)皿等），且儀器上方不宜再蓋上玻璃片或塑料片等，否則可能因氫氣無法及時(shí)逸出導(dǎo)致混合氣體爆炸的發(fā)生。

3.2 利用雙口燒瓶留住少量空氣再現(xiàn)混合氣體爆炸過程

上述錐形瓶中的氣體爆炸非常明顯，但氧氣是來自空氣還是來自過氧化鈉與水反應(yīng)，還不能有效判斷。由于純氫氣環(huán)境下鈉球無法燃燒[12]，要研究過氧化鈉與水反應(yīng)生成的氧氣是否參與爆炸，必須先讓鈉在少量空氣中燃燒起來生成過氧化鈉。因此，需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)一個(gè)氫氣多空氣少的封閉環(huán)境研究。使用鋁箔包裹鈉球投入密閉裝置的氫氧化鈉溶液中可以解決該問題。一是鋁箔可以與氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成大量的氫氣;二是鋁箔反應(yīng)一段時(shí)間后形成缺口，有利于鈉球游出與水反應(yīng)。具體的做法是： 將長頸三角漏斗通過單孔橡皮塞塞緊雙口筒形平底燒瓶（簡稱雙口燒瓶，下同）的中管口，往側(cè)管口加入氫氧化鈉溶液至液面離側(cè)管口2厘米處，再投入鋁箔包裹的綠豆大小的鈉球，用橡皮塞輕輕塞住側(cè)管口（見圖2）。此時(shí)雙口燒瓶內(nèi)有部分空氣留住，創(chuàng)設(shè)出空氣少的環(huán)境。使用雙口燒瓶而不用單口燒瓶，還在于可以將側(cè)管口作為爆炸的緩沖口，一旦爆炸，側(cè)管口橡皮塞可以彈出，防止玻璃儀器的破裂。因此，側(cè)管口橡皮塞不宜塞得太緊。

反應(yīng)開始后，鋁箔與氫氧化鈉溶液反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣將反應(yīng)液壓入長頸三角漏斗，一段時(shí)間后，鈉球從鋁箔缺口中漏出并在水面上四處游動(dòng)。隨后燃燒起來（裝置中少量空氣可助燃），燃燒著的鈉球繼續(xù)游動(dòng)三四圈后才發(fā)生爆炸，側(cè)口橡皮塞被彈出，但爆炸不如錐形瓶中的爆炸劇烈，也無火星四射的現(xiàn)象。燃燒著的鈉球游動(dòng)一段時(shí)間后才發(fā)生爆炸，說明過氧化鈉與水接觸生成的氧氣是有參與氫氣爆炸的可能性的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通過以上實(shí)驗(yàn)對比，可以明顯區(qū)分出兩種不同的爆炸： 一種是熔融狀態(tài)的鈉的小火球遇水或空氣的爆炸，其特點(diǎn)是伴有燃燒且火星四射;另一種是氫氧混合氣體的爆炸，其特點(diǎn)是瞬間產(chǎn)生大量氣體，具有明顯的氣體沖擊力。教材中演示實(shí)驗(yàn)后期偶發(fā)的爆炸應(yīng)屬于前一種，即熔融狀態(tài)的鈉的小火球遇水發(fā)生的爆炸。

教材演示實(shí)驗(yàn)中使用燒杯裝水可以讓鈉球四處游動(dòng)，有利于將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不斷分散，不至于形成熔融的小火球。一旦鈉球出現(xiàn)緊靠在燒杯壁上某個(gè)位置不游動(dòng)的情況，反應(yīng)放出的熱量不斷聚集導(dǎo)致鈉球溫度升高，最后就有可能變成熔融小火球爆炸。由于后者出現(xiàn)的幾率不高，因此屬于實(shí)驗(yàn)中的偶發(fā)現(xiàn)象。如果選用敞口塑料制品代替燒杯做該實(shí)驗(yàn)，必須通過搖動(dòng)容器以防止鈉球附著在塑料瓶壁上燃燒形成小孔，最后導(dǎo)致熔融的鈉的小火球爆炸[13]。

以上研究針對教材中鈉與水演示實(shí)驗(yàn)后期偶發(fā)爆炸的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，對氫氧混合氣體爆炸、水蒸氣爆炸、熔融的鈉的小火球爆炸等不同解釋設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證，得出教材演示實(shí)驗(yàn)爆炸與熔融的鈉的小火球有關(guān)

的結(jié)論。因而建議選擇敞口容器、防止鈉球緊貼器壁不游動(dòng)等措施提高該演示實(shí)驗(yàn)的安全性。通過問題的提出、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)以及證據(jù)的收集和科學(xué)的推理，得出合理的結(jié)論及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。特別是通過從液面下方拍攝、觀察到鈉球處于熔融狀態(tài)的設(shè)計(jì)、鈉球緊靠塑料三角漏斗壁與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作與控制，有利于激發(fā)學(xué)生的探究興趣和安全意識，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理和創(chuàng)新能力，從而促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的不斷發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1][7][8]鐘祥日. 鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)生爆炸的原因[J]. 廣東教育（教研版）， 2009， （5）： 53.

[2][10]孫成斌. 鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋[J]. 黔南民族師專學(xué)報(bào)， 1999， （6）： 45～46， 51.

[3][11]劉懷樂. 鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象剖析[J]. 化學(xué)教育， 1990， （2）： 39～41.

[4][9]王偉列. 對金屬鈉遇水發(fā)生爆炸的探討[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2004， （4）： 13～14.

[5]曾顯林. 基于數(shù)字影像技術(shù)的高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)觀察與辨識——以鈉與水反應(yīng)為例[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備， 2019， （22）： 42～45.

[6]佚名. 鈉和鉀遇水爆炸的真相[J]. 上?；?， 2015， 40（4）： 40.

[12]佚名. 也談鈉與水反應(yīng)中的三種現(xiàn)象[J]. 化學(xué)教學(xué)， 1990， （6）： 41～43.

[13]于淑兒， 范彬彬， 單來君， 周千紅. 對高中化學(xué)新教材中鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)安全問題的再思考[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2003， （6）： 47.2578C410-6FB7-4684-BC2F-344162CFBBE4