鈉與水反應的實驗改進

劉婷婷 宋秀蓮

(湖北省宜昌市三峽高級中學)

一、問題的提出

《普通高中化學課程標準》(2017年版2020年修訂)在實施建議中提出:①應重視實驗探究,適當增加微型實驗、數字化實驗、定量實驗,讓學生體會、認識技術手段對化學學科的重要價值;②利用信息技術提高課堂效率和質量,強化信息技術與化學教學的深度融合。鈉與水的實驗探究是學習鈉的化學性質的重要載體,是培養學生證據推理的學科核心素養的重要素材。在學業要求中提到,學生應能設計實驗進行初步論證,并能分析、解釋有關實驗現象。

鈉與水的實驗出現在教材的探究模塊,探究活動的目的之一是讓學生獲取實驗證據,了解鈉與水反應的生成物。該實驗操作簡單,安全性也可控,《教師教學用書》中指明該實驗可由學生完成。但教材中的實驗沒有產物氫氣的檢驗環節,證據素材不夠完備,《教師教學用書》中也同樣提出“可以補充氣體生成物的收集和檢驗的實驗”。目前一線教師在教學中主要采用的是點燃法進行氫氣的檢驗,而實驗改進的關鍵點主要聚焦在點燃該可燃性氣體時,如何保證操作的安全性。為了更加安全地完成氫氣點燃的實驗,實驗者必然會探究如何使反應裝置的氣密性更好。其創新的視角是裝置的密封性和實驗操作的安全性,例如,現有文獻關于氫氣的檢驗方式主要為氣球、注射器、肥皂水等收集氫氣后點燃。而這些改進實驗對于入學不久的高一學生來說,操作不夠簡單,安全性不一定能夠保證,僅適用于教師做演示實驗。筆者之前在授課過程中,采用的是學生先按照教材中的實驗進行探究,教師再補充演示實驗驗證產物有氫氣,需要進行兩次實驗,教學環節略繁瑣。因此,筆者將現有工業生產實際中檢測氫氣的裝置——氫氣檢測儀引入實驗教學,在確保安全性和不增加操作難度的前提下,證據素材一次性呈現,便于學生實驗探究。

現有鈉與水實驗探究是根據鈉熔化成小球推理得出反應放熱,根據反應放出的熱量能使鈉熔化得出鈉的熔點低的結論。在實際教學中,由于學生剛進入高中,根據實驗現象從反應的能量視角分析出“鈉與水反應放熱”這個結論相對困難,因此需要教師在實際教學中,用帶有指向性的語言,清晰地提示學生反應放熱還是吸熱,學生才會作出相應的正確回答。學生由現象推理出預期的結論難度大,故筆者將工業生產中的手機熱成像儀引入實驗教學,用直觀的熱成像圖和溫度數據來輔助學生突破能量難點,將該實驗的研究視角從物質轉化轉向物質、能量雙視角。

二、關鍵實驗儀器的功能介紹

(一)氫氣檢測儀

本實驗用到的氫氣檢測儀是希瑪儀表(SMART SENSOR)。它是利用傳感器來捕捉氫氣并進行定量測定,該儀器的測量范圍是0～1 000 ppm,分辨率是1 ppm。氫氣檢測儀(見圖1)在檢測到環境中的氫氣時,氫氣濃度讀數會顯示在液晶顯示屏上。儀器提供用戶可自行設置低濃度/高濃度報警功能,當檢測結果超過預先設置的報警設定值,儀器便以聲、光及振動報警提醒用戶。該氫氣檢測儀的表盤在實際測量時會實時顯示環境中氫氣的濃度,測定結束后操作者可以由氫氣讀數模式切換到峰值顯示模式。在峰值顯示模式下,屏幕將顯示氫氣傳感器測得的最高氣體濃度值。

圖1 手機熱成像儀(左) 氫氣檢測儀(右)

(二)手機熱成像儀

本文所采用的手機熱成像儀是FLIR ONE安卓版(如圖1)。它可以直觀地呈現出熱成像圖,通過顏色差異判斷出反應中的高溫區和低溫區。與此同時,可以設定3個可移動的點測溫,實時監測反應中高溫區溫度和低溫區溫度。

三、實驗步驟與現象

【步驟】向燒杯中加入一些水,滴入幾滴酚酞溶液,氫氣檢測儀放置在燒杯附近,手機熱成像儀通過手機支架固定在燒杯上方,然后把一塊綠豆大的鈉放入水中。

【常規現象】鈉浮在水面,迅速熔成小球,四處游動,發出嘶嘶聲,溶液變為紅色。

【特有現象】氫氣檢測儀屏幕上實時顯示氫氣濃度。當氫氣濃度達到預設值50 ppm時,氫氣檢測儀發出報警聲,氫氣濃度最大為490 ppm(見圖2)。與此同時,手機熱成像儀的手機界面輸出動態的熱像圖(見圖3),鈉所到之處呈現橙黃色為高溫區,鈉游走后該區域橙黃色逐漸變淺直至消失,變為低溫區。設置三個溫度采集點,鈉所在之處采集到的溫度為66.4℃,兩處低溫區采集到的溫度分別為11.0℃和12.8℃。

圖2 氫氣檢測儀實時監測氫氣濃度

圖3 手機熱成像儀下鈉的軌跡和溫度顯示

四、幾點說明

1.反應的發生裝置同教材一樣用燒杯,延續操作簡便和便于觀察現象的優勢,但引入了氫氣檢測儀和手機熱成像儀,增加了產物氫氣的檢驗和反應放熱的直觀證據素材。

2.經多次實驗,綠豆大小的鈉塊放入水中,置于敞開的常規教室中,氫氣局部濃度最高達 490 ppm(0.049%),遠小于氫氣的爆炸極限4%～75.6%,不存在安全隱患。教師可以給氫氣檢測儀預先設置一個合適的報警值,氫氣濃度達到設定值后檢測儀報警,充分調動學生的聽覺感官,以便快捷、全面地獲取實驗現象。本實驗中,筆者提前設置的報警值是50 ppm,這樣既不會剛產生氣體就報警,也不會反應結束也不報警,是一個比較合理的值。

3.手機熱成像儀采集的熱像圖能實時呈現高溫區和低溫區,橙黃色表征高溫區。鈉所到之處為高溫區,鈉的游動軌跡通過橙黃色區域的動態變化呈現出來。隨機采集橙黃色高溫區和非橙黃色低溫區的具體溫度,根據溫度差可定量證明鈉與水反應放熱。

4.鈉迅速移動,造成能量散失,如實驗采集過程中未采集到高于100℃的數據,為解釋鈉與水反應過程中的水汽化出現白霧的現象,可增補實驗。筆者引入數學中的極限思想,將少量的鈉塊放入三滴水中(見圖4),實時監控數據,成功獲得鈉熔化成小球時局部溫度達100.9℃(見圖5)。

圖4 微量化的鈉與水實驗

圖5 鈉熔化成小球時,局部溫度高達100.9℃