鈉與水反應可視化實驗改進

胥迎

摘要：一般地，對“鈉與水反應”產生氫氣的實驗改進方法，主要為點燃氣體或者用肥皂泡進行驗證，此方法可操作性不強，且有一定安全隱患。本實驗利用探針式溫度計和便攜ADKS-1檢漏儀，設置一套多功能數字化實驗裝置，集氣體發生、收集、檢驗于一體，具有可視性強、安全性高、操作便捷等特點，希望為一線教師提供一定的幫助。

關鍵詞：實驗改進；探針式溫度計；便攜ADKS-1檢漏儀；可視化

文章編號：1008-0546（2023）07-0092-02 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.018

一、 “鈉與水反應”實驗改進的背景

現行人教版、魯科版、蘇教版三個教材版本中，鈉與水的反應實驗均采用敞口的實驗裝置。人教版教材中的實驗是在裝有水和酚酞的燒杯中放入綠豆大小的鈉，可觀察到鈉塊浮在水面上，熔化，迅速游動，溶液變紅，并發出嘶嘶聲響。[1] 雖然，現象具有一定的可視性，也能一定程度說明鈉的化學性質，但仍存在以下不足：（1）安全性不高：鈉與水反應十分劇烈，反應在敞口燒杯中進行，容易發生液體飛濺。實驗過程中還會生成白色煙霧狀物質-被水蒸氣帶出的氫氧化鈉。[2] 在敞口的實驗條件下，人體吸入堿性物質具有一定的危害，存在安全隱患。（2）氣體驗證性不足：在教材實驗中，是產生了氣體推動鈉塊游動，還是反應放出大量的熱推動鈉塊，難以驗證。并且，敞口容器無法收集并檢驗氣體，得出氣體是氫氣的結論缺乏說服力。（3）可視性不強：反應過程中溫度的變化和產生的氣體難以觀察到，可視性不強。

二、 “鈉與水反應”實驗裝置改進及實驗過程

1. 實驗原理

鈉與水反應生成氫氧化鈉和氫氣：2Na+2H 2 O =2NaOH + H 2 ↑。氫氧化鈉為強堿，可用指示劑酚酞檢驗。該反應為放熱反應，探針式溫度計可以檢測反應過程中的溫度變化。該反應產生氫氣的量少，且氫氣密度低，很容易擴散到空氣中，點燃等方法較難驗證氫氣。便攜 ADKS-1 檢漏儀能檢測 0-10000 μmol/mol（ppm）的氫氣，靈敏度極高，當檢測擴散到空氣中的氫氣時，還能發出報警聲，進行警示。（H 2 ∶1 ppm=1 mg/L=0.0005 mol/L）

2. 實驗計算

錐形瓶（150 mL = 0.15 L）

生成氫氣體積≤ 150 mL

氫氣密度 = 0.0899 g/L = 89.90 ppm

n（氫氣）=（0.0899 g /L）×（0.15 L）÷（2 g/mol）=0.0067 mol

m（鈉）= 2 × n（氫氣）×（23 g/mol）= 0.3101 g

選取鈉質量≤ 0.31 g

3. 實驗裝置及試劑

（1）實驗儀器

鑷子、濾紙、電子天平、小刀、150 mL錐形瓶、長頸漏斗、轉角管、橡皮管、止水夾、尖嘴導管、探針式溫度計（見圖1）、便攜ADKS-1檢漏儀（見圖2）。

（2）實驗試劑

蒸餾水、酚酞、煤油、一顆約為0.31g大小的鈉。

（3）實驗裝置

4. 實驗步驟及現象

（1）實驗步驟

①檢查氣密性：關閉彈簧夾，從長頸漏斗處倒水，若形成一段穩定的水柱，則證明裝置氣密性好。

②加水：往錐形瓶中加水至錐形瓶2/3處，往水中加入2到3滴酚酞，充分混合。

③加煤油：用膠頭滴管加入兩滴管的煤油，可以看到明顯的分層。

④記錄最初溫度：將探針式溫度計插入煤油和水面之間的位置，記錄最初的溫度T 1 。

⑤放鈉：關閉彈簧夾，用鑷子取切割好的鈉投入到錐形瓶中，馬上塞住橡皮塞。[3]

⑥檢測：反應一段時間后，記錄探針式溫度計溫度T 2 。打開彈簧夾，將便攜ADKS-1檢漏儀探頭對準尖嘴導管。

（2）實驗現象

煤油與水分層，且水層在煤油下面。加入鈉塊后，鈉處在水和煤油中間。反應時，鈉在煤油和水面上下跳動。隨著反應進行，水逐漸變紅，鈉塊逐漸熔化消失。探針式溫度計初始溫度T 1 為28.5 ℃，結束后溫度T 2 為31.5 ℃，長頸漏斗液面逐漸上升。打開彈簧夾，長頸漏斗液面下降。便攜ADKS-1檢漏儀指示燈閃爍變紅，發出報警聲，進行警示。電子屏幕上開始顯示氫氣數值，且最大值為2899 ppm。

5. 實驗結論及創新點

實驗的創新點如下（1）密度可視化：鈉處在水和煤油中間，可以直觀比較三者密度的大小。（2）溫度可視化：用探針式溫度計可以直接觀察反應過程中溫度的變化。（3）氣體可視化：關閉彈簧夾時，長頸漏斗液面上升，可感知錐形瓶內產生了氣體而導致壓強變大。打開彈簧夾后氣體檢測器進一步數字化地驗證了氫氣的產生。（4）實驗安全化：采用水、鈉、煤油混合體系，可以減緩鈉與水反應的劇烈程度，進而使氫氣緩緩產生。用氣體檢測儀檢驗氫氣，相較傳統“點燃氣體”和“點燃肥皂泡”的方法，更具有安全性。（5）實驗靈敏性高：傳統的實驗，很難將氫氣點燃。一方面產生的氫氣帶有水蒸氣，不干燥。另一方面，氫氣的密度很小，很容易擴散到空氣中，加之量少，很難點燃。而1 ppm H 2 =1 mg/L=0.0005 mol/L H 2 ，檢測儀能靈敏地檢測到0-10000 μmol/mol （ppm）的氫氣，需要的量極少，靈敏度極高。

三、實驗的后續運用

1. 氣體檢測多樣性

當傳統的化學方法檢測氣體存在安全隱患，或實驗現象不明顯時，可以考慮用數字化的實驗儀器進行驗證，安全性高，特征性強。本實驗采用四合一氣體檢測儀，除了能檢測氫氣外，還能檢測中學階段常見的硫化氫、一氧化碳、天然氣等氣體。除四合一氣體檢測儀外，還有專一性的氣體檢測儀，特征性檢驗氣體。比如氫氣檢測儀只能檢驗氫氣，硫化氫氣體檢測儀只能檢測硫化氫。專一性氣體檢測儀可定制，比如二氧化硫、氯化氫、磷化氫等氣體。專一性氣體檢測儀較四合一氣體檢測儀價格昂貴。如果不存在干擾性氣體，可選用四合一氣體檢測儀，如果檢測氣體混有其他干擾性氣體時，則需選擇專一性氣體檢測儀。

2. 使用場所廣泛性

除中學實驗室可使用氣體檢測儀外，在需要制備或使用氫氣的大學實驗室中也會安裝氣體檢測儀，檢測氣體是否泄漏，從而保證實驗室安全。在日常生活中，比如加油站甚至家庭廚房也可安裝，從而保證可燃性氣體的使用安全。

參考文獻

[1] 人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心. 普通高中化學教科書·化學（必修）第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2] 魏毅鳴，楊曉麗. 關于鈉與水反應生成的白色煙霧的實驗探究[J]. 化學教學，2019（1）：64-67.

[3] 葉永謙，張賢金，吳新建. 鈉與水反應實驗的再設計及多種教學運用[J]. 化學教育（中英文），2018，39（7）：60-62.