鈉與水反應現象之原因探究

師棋　孫曉春

摘要： 以具支U型管為主要儀器，設計一套既能檢驗反應產物又能多角度解釋實驗現象的鈉與水反應的一體化裝置。在具支U型管中加入煤油和水，兩側分別投入一小塊金屬鈉形成對比，感知鈉與水反應的劇烈程度；兩側分別加入兩小塊金屬鈉，探明鈉為什么會“熔”成小球，將熔融概念可視化。在U型管中加入蓖麻油驗證密度因素是使鈉“浮”在水面上的原因之一。

關鍵詞： 鈉與水反應； 對照實驗； 一體化實驗裝置； 實驗改進

文章編號： 10056629（2023）11007604 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

鈉與水的反應是高中階段學生的第一個探究實驗。高中化學課程標準強調：教師在教學中要整體規劃實驗及探究教學，發揮典型實驗探究活動的作用，改變在實驗中只注重動手但缺少思考的現狀，強調高級思維過程，重視開展高水平的實驗探究活動［1］。在教學中有效引導學生對鈉與水反應產物的探究及其反應現象做出合理、全面的解釋尤為重要。通過對人教版1983版［2］、2002版［3］、2004版［4］、2019版［5］四個版本教材（見表1）中鈉與水反應實驗內容的梳理分析，發現1983版反應產物、產物檢驗、現象描述及解釋等直接給出；2002版指明了產物的檢驗方法進而推導出產物，“討論部分”注意引導學生觀察、解釋實驗現象；2004版沒有涉及氣體的收集與檢驗，“觀察提示部分”增加了熱量的視角；2019版從預測、實驗、結論三個環節強調實驗探究的重要性，通過產物預測、實驗得出，符合新課標的理念，但沒有提及氣體的收集與檢驗。綜上所述，可從這四個版本的教材發現以下問題：（1）前三版教材探究傾向不明顯；（2）鈉浮在水面上都從密度的角度進行解釋，會不會是因為有氣體產生而使鈉浮在水面上；（3）鈉的形狀變成小球都從反應放熱的角度進行解釋，會不會是因為鈉的消耗導致了鈉的形狀發生改變；（4）反應放熱沒有可視化；（5）最新兩版教材都沒有氫氣的收集與檢驗。

2 鈉與水反應改進實驗研究

查閱大量文獻，不少學者和一線教師對鈉與水的反應作了進一步的研究。在驗證產物氫氣方面：畢曉昀等通過文獻研究歸納并設計出簡單便捷、可控性強、安全的檢驗裝置［6］。關于溫度可視化：孟恬靜利用感溫勺子，將溫度變化實現了可視化［7］，但市售感溫勺子過大，裝置不易搭建；李順巧等通過紅外熱成像儀測出反應溫度從最初的20℃迅速升高到反應最劇烈時的72℃［8］，但該實驗對現代化實驗儀器要求較高。為了使鈉與水的反應現象明顯，有學者利用煤油減緩反應速率：鞏永銳等用中性筆設計裝置［9］，使鈉與水反應現象明顯，趣味性強，拉近了化學與生活的距離，實驗儀器易得，但在實驗中，隨著鈉在水層和煤油層之間不斷跳動，鈉的表面包裹著煤油，阻礙了鈉與水的進一步反應，難以觀察到鈉熔成小球，氣體也不易收集和檢驗。關于鈉“浮”在水面上：謝清秀提出氣體與密度均是影響鈉浮在水面上的因素，并采用密度為1的苯和四氯化碳的混合液進行驗證［10］，但苯和四氯化碳易揮發且有毒，不符合綠色化學理念。

3 鈉與水的反應改進

鑒于此，本實驗以具支U型管為主要儀器，集中探究鈉與水的反應產物；采用水銀溫度計，以實現溫度可視化；加入煤油作為對照組實驗，以減緩反應速率，使反應現象明顯；根據液體的特點，采用對照實驗，解決鈉“熔”成小球的疑惑；利用市售蓖麻油（ρ≈0.98g/cm3）不與水反應及其密度特點，探明鈉“浮”在水面上的原因。最終設計出一套既能檢驗反應產物又能多角度解釋實驗現象的鈉與水反應的一體化裝置。

3.1 實驗儀器及藥品

鐵架臺、具支U型管、水銀溫度計、蒸發皿、橡膠管、金屬鈉、煤油、蓖麻油（ρ≈0.98g/cm3）、酚酞溶液、肥皂水、蒸餾水等

3.2 鈉與水反應產物的探究及新問題的提出

實驗裝置及操作：在具支U型管中加入適量滴有酚酞的蒸餾水，具支U型管左側加入一定量煤油，右側支管連有氣體收集檢驗裝置，同時將兩塊綠豆大?。ㄐ螤?、大小相同）的金屬鈉分別放入具支U型管兩側，右側上口立即插上水銀溫度計，如圖1所示。觀察實驗現象，片刻后，點燃收集到的氣體，得到圖2所示實驗現象。

實驗現象：右側溫度計讀數升高，點燃收集到的氣體，有爆鳴聲；鈉塊形狀不同：U型管左側鈉塊的形狀幾乎沒有發生改變，右側鈉塊變成小球；鈉的運動狀態不同：U型管左側鈉在煤油層和水層之間來回跳動，右側鈉浮在水面上；酚酞溶液變紅的面積不同：右側變紅的面積多于左側變紅的面積。

得出結論：（1）鈉與水反應放熱，有氫氣和堿性物質生成。（2）反應消耗鈉不是鈉塊變成小球的原因。（3）反應產生氣體，是鈉“浮”在水面上的因素之一。（4）鈉在水中比鈉在煤油層和水層之間的反應更劇烈。

提出問題：（1）同是鈉與水反應，為什么鈉的形狀在水中會變成小球，而在煤油層和水層之間幾乎不發生改變？（2）在氣體的作用下，鈉在煤油層和水層之間來回跳動，如何排除氣體因素直接證明鈉的密度比水小也是鈉“浮”在水面上的原因？

3.3 鈉與水反應現象——“熔”的原因探究

實驗裝置及操作：在具支U型管中加入適量蒸餾水，具支U型管左側加入適量煤油，同時各將兩塊綠豆大?。ㄐ螤?、大小相同）的金屬鈉分別放入具支U型管兩側（共4塊鈉），得到圖3所示實驗現象。

實驗現象：U型管左側兩塊鈉為塊狀，各自獨立地在煤油層和水層之間來回跳動，且沒有熔合成一塊；右側試管中兩塊鈉逐漸熔合成一塊，且形狀變成小球，最終消失。

現象解釋：類比荷葉上的小水珠相遇后會匯聚形成大水珠，在U型管右側兩塊金屬鈉最終熔合成一個小球，是因為反應放熱，固體鈉變成了液體鈉，根據標準摩爾生成焓計算出鈉與水反應放出的熱量，ΔH=-139.779kJ/mol，反應放出的熱量，能夠達到鈉的熔點（97.72℃），使鈉熔化；同時由于液體都有表面張力，使液體形狀總向表面積最小的趨勢變化，而具有同體積的所有形狀中，球體的表面積最小，于是它變成小球，這也解釋了無論鈉塊的形狀是什么樣的，鈉塊放入水后，最終都會熔成小球。而在U型管左側，煤油減緩了鈉與水的反應速率，使鈉與水反應放出的熱量減少，沒有達到鈉的熔點，所以鈉塊的形狀幾乎不發生改變。

得出結論：鈉塊熔化后，外形類似粗略的球形，是因為反應放熱，鈉的熔點低，塊狀的鈉熔化。

3.4 鈉與水反應現象——“浮”的原因探究

實驗裝置及操作：在具支U型管中加入適量蒸餾水，具支U型管右側加入適量蓖麻油，放入一塊金屬鈉，觀察實驗現象。

實驗現象：液體分層，上層為蓖麻油，下層為蒸餾水，鈉浮在蓖麻油上。

現象解釋：鈉的密度＜蓖麻油的密度＜水的密度。

得出結論：鈉浮在水面上與鈉的密度比水小有關。

3.5 實驗結論

通過以上實驗，證明了鈉與水的反應產物是氫氧化鈉和氫氣。同時驗證了鈉浮在水面上既有密度的因素，又有氣體因素；鈉變成小球是因為反應放出的熱量達到鈉的熔點，固體鈉熔化成液體鈉。

4 小結

本實驗最大的創新點在于采用具支U型管、水銀溫度計等常規實驗儀器設計出的一體化裝置，不僅能檢驗反應產物，也能解釋有關實驗現象，且新方案可操作性強、現象明顯，適合在課堂中演示。通過對照實驗中U型管左右兩側反應現象的差異，學生自然會提出鈉為什么會“熔”成小球、鈉“浮”在水面上的真正原因是什么？實驗過程層層遞進，學生在教師的引導下類比推理，設計實驗，分析現象，得出結論，達到學生對熔融概念可視化的效果。通過實驗直接驗證了鈉的密度比水小，提升了教學效果，進而發展了學生的科學探究與創新意識。同時，對照實驗讓學生初步感知：化學反應速率是受反應條件影響的，是可以調控的，為后面學習化學反應的速率與限度作了鋪墊。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 13.

［2］人民教育出版社化學室編. 高級中學課本（甲種本）·化學第一冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 1983： 82～83.

［3］武永興， 胡美玲等主編. 全日制普通高級中學化學教科書·（必修）第一冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2003： 29～30.

［4］宋心琦主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）［M］. 北京： 人民教育出版， 2007： 49～50.

［5］王晶， 鄭長龍主編. 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： 34～35.

［6］畢曉昀， 張會清. 鈉與水反應實驗裝置的改進［J］. 化學教學， 2020， （6）： 68～71.

［7］孟恬靜. 鈉與水反應實驗的新設計［J］. 化學教學， 2019， （3）： 59～61.

［8］李順巧， 龔英， 楊子慧等. 紅外熱成像儀下鈉的性質及其熱效應［J］. 化學教學， 2022， （2）： 74～77.

［9］鞏永銳， 李忠恒， 周麗梅. 鈉與水反應裝置的趣味化改進［J］. 化學教學， 2021， （5）： 69～72.

［10］謝清秀. 基于“論證”視角的鈉與水反應的實驗探究［J］. 名師在線， 2020， （23）： 71～72.