鈉與二氧化碳燃燒反應趣味實驗設計

熊健+李偉+白志勇+周勇

摘要：以鈉作實驗材料，設計了不同條件下與二氧化碳氣體發生燃燒反應的趣味實驗，出現了不同的實驗現象，并對燃燒后的產物進行了簡單分析。通過對比實驗表明，鈉與二氧化碳氣體發生燃燒現象的原因，發現二氧化碳的量對燃燒后的產物并無明顯影響。實驗操作簡單、現象明顯，實驗效果令人滿意。

關鍵詞：鈉；二氧化碳；燃燒現象；實驗設計；對比實驗

文章編號：1005–6629（2017）4–0074–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

金屬鈉的燃燒實驗在不同教材中都有所涉及[1，2]，是中學化學實驗的重要組成部分，但實驗主要研究的方向集中在鈉與空氣、氧氣發生燃燒反應[3]，對于鈉與二氧化碳是否發生燃燒反應、反應條件、燃燒的現象以及反應后的產物是什么，在中學教材中并未作介紹、說明，與之相關的文獻報道也較少，而恰恰這些疑問點會激起學生的學習興趣。同時與其有相似性質的金屬鎂與二氧化碳的燃燒反應常常作為課堂的演示實驗以及在不同的化學測試題中作為考點出現而被學生所熟知，有學生提出對于金屬性更強的鈉能否有同樣現象發生？于此，筆者和學生結合楊海麗老師的“鈉與二氧化碳反應的實驗探究”[4]一文，進行了如下的課外實驗，發現了不一樣的實驗現象。

1 實驗部分

1.1 實驗用品

器材：鐵架臺、分液漏斗、抽濾瓶（250mL）、硬質試管、酒精燈等

試劑：金屬鈉、氫氧化鈣、無水碳酸鈉、稀硫酸（1mol/L）、二次蒸餾水等

1.2 實驗步驟

1.2.1 鈉與干燥純凈的二氧化碳反應

（1）按裝置圖1組裝儀器，抽濾瓶a中加入5%碳酸鈉水溶液，分液漏斗中加入稀硫酸（1mol/L）。檢測實驗裝置的氣密性。將分液漏斗活塞打開，稀硫酸緩慢滴入碳酸鈉溶液中，開始制備CO2氣體。氣體通過干燥劑氯化鈣b，最后通入 d中澄清石灰水，一段時間后石灰水溶液變渾濁。

（2）將現切好的鈉塊（長約1cm、寬約0.2cm），用濾紙吸干表面煤油，迅速投入硬質試管c中。繼續通入CO2氣體，用酒精燈對試管底部持續均勻加熱，鈉塊緩慢融化成小黑球，有少量的白煙產生，未出現燃燒現象。

（3）按裝置圖2組裝儀器，并檢查實驗裝置的氣密性，用向上排空氣法收集CO2氣體于一集氣瓶c中。在燃燒匙中將現切好的小鈉塊點燃，迅速置于集氣瓶底部，繼續通入CO2氣體，加玻璃蓋，火焰慢慢熄滅，未觀察到燃燒現象。

通過以上兩個實驗表明，鈉不管是在小空間的試管內，還是經點燃后置于空間稍大的集氣瓶中只能與干燥純凈的CO2發生緩慢的化學反應，均觀察不到燃燒現象，說明鈉是否發生燃燒現象與CO2量的多少無關。鑒于此，我們對實驗裝置稍作改進后再做實驗。

1.2.2 試管中鈉與未經干燥處理的CO2氣體的燃燒反應

（1）按裝置圖1組裝儀器，將干燥劑氯化鈣取出，并檢查裝置氣密性，將分液漏斗的活塞打開，控制稀硫酸滴速約為每秒1滴，與容器中碳酸鈉反應開始制備CO2氣體。將氣體通入配制好的澄清石灰水d處，一段時間后石灰水溶液變渾濁。

（2）將現切好的鈉塊（長約1cm、寬約0.2cm），用濾紙吸干表面煤油，迅速投入硬質試管c中，并塞緊橡膠塞，繼續通入CO2，用酒精燈對試管底部均勻加熱，鈉塊開始融化，約半分鐘后有紅黃色的火光產生并伴有白煙生成。約1分鐘后，反應完成，燃燒現象明顯，見圖3（a）。

（3）反應結束后觀察試管壁上有白色的附著物，將其用藥匙刮下，投入裝有少量蒸餾水的燒杯中能發出“嘶嘶”的響聲，然后在該燒杯溶液中滴加一滴酚酞后，觀察到溶液變紅，推測試管壁的白色附著物可能是由于在燃燒的過程中鈉氣化附著在管壁形成。支管底部有黑色固體和白色固體產生，加入少量的稀硫酸后，可發現黑色固體不溶，而白色固體則很快溶解，并產生氣體，能使澄清石灰水變渾濁，推測白色固體生成物主要成分為碳酸鈉，黑色不溶固體為碳。發生的主要反應為：4Na+3CO2=2Na2CO3+C[4]。

1.2.3 集氣瓶中鈉與未經干燥處理的CO2氣體的燃燒反應

（1）按裝置圖2組裝儀器，將干燥劑氯化鈣取出，并檢查裝置氣密性，將分液漏斗活塞打開，控制液體滴速約為每秒1滴，稀硫酸逐滴加入到碳酸鈉水溶液中，開始制備CO2氣體，利用向上排空氣法在集氣瓶中收集滿CO2氣體。約2～3分鐘后在燃燒匙中將鈉塊點燃，迅速置于集氣瓶底部，繼續通入CO2氣體，加玻璃蓋，鈉塊可繼續燃燒，但燃燒反應的劇烈程度要比在空氣中小。由于鈉在空氣中的燃燒反應速率過快，不易控制，故先將空燃燒匙在酒精燈上加熱2～3分鐘，迅速將其伸入集氣瓶底部同時將現切好的鈉塊（長約為1cm、寬約為0.2cm）用濾紙吸干表面煤油后投到燃燒匙上，加玻璃蓋，觀察到鈉塊迅速融化，約2～3s鐘后，出現黃紅色的火光并伴有白煙，燃燒現象明顯，見圖3（b）。待反應結束后，觀察到燃燒匙內有白色、黑色的固體混合物。將燃燒后的產物加入到小的硬質試管中，再加入適量的稀硫酸可發現黑色固體不溶，而白色固體則很快溶解，并產生氣體，能使澄清石灰水變渾濁，推測白色固體生產物主要成分為碳酸鈉，黑色不溶固體為碳。對反應后的產物進行初步的檢測分析，發現與實驗1.2.2中的結果一致，表明CO2量的多少對燃燒后產物無明顯影響。

（2）按裝置圖2組裝儀器，制備干燥純凈的CO2氣體，并在c處用集氣瓶收集滿CO2氣體，空燃燒匙用酒精燈加熱2～3分鐘，迅速將其伸入集氣瓶底部，同時將現切好的鈉塊（長約為1cm、寬約為0.2cm）用濾紙吸干表面煤油后投到燃燒匙上，繼續通入CO2氣體，不加玻璃蓋，鈉塊迅速融化有黃紅色的火光并伴有白煙產生，燃燒現象明顯，見圖3（c）。燃燒反應完成后，觀察燃燒匙內有淡黃色、白色、黑色的固體物質，其中淡黃色固體的量最少。此時單獨將白色固體小心取出投入到蒸餾水中，有“滋滋”的響聲，pH試紙檢測水溶液呈堿性；淡黃色固體產物在空氣中約經過半分鐘后慢慢變為白色固體；將燃燒后的產物投入到硬質試管中，加入適量的稀硫酸，觀察白色固體溶解，有氣泡產生，通入澄清石灰水中，石灰水會變渾濁，而黑色固體不溶。推測淡黃色固體可能為Na2O2，可能是因為此時集氣瓶未加玻璃蓋而混入了少量的空氣與鈉反應的產物；白色固體可能為Na2CO3、Na2O的混合物需要實驗進一步證實；黑色不溶于稀硫酸固體可能是該燃燒反應有單質碳的生成[5]。

2 小結與討論

（1）Na與干燥純凈的CO2氣體，用酒精燈加熱時并不能發生燃燒反應，但會發生緩慢的化學變化，而當CO2氣體中混有少量空氣或水蒸氣的時候能觀察到燃燒現象，可能的原因是少量的水蒸氣或者空氣的O2與Na先反應放熱，促使鈉和CO2氣體進一步發生燃燒反應，同時也說明Na若與干燥純凈的CO2發生燃燒現象，可能需要在更高溫度下進行，但有待實驗佐證。

（2）實驗選用碳酸鈉的水溶液與稀硫酸反應制備CO2氣體，相對于直接利用碳酸鈉固體制備，產生的氣流更加穩定、均勻；在利用方案1進行實驗時要注意防止倒吸，發生危險，提醒學生要先將導管移除水面后，再熄滅酒精燈。也可加防倒吸的裝置，防患于未然。

（3）該實驗儀器簡單，燃燒現象明顯，可作為課堂演示和學生自主探究，但需要教師正確引導學生，增加學生透過現象看本質的能力。通過這幾組對比實驗，發現了鈉能夠在CO2中燃燒的真正原因，同時通過實驗告訴學生像鈉一類的堿金屬著火后絕不能用CO2滅火器進行滅火的道理。

參考文獻：

[1]人民教育出版社化學室.全日制普通高級中學教科書·化學（第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2003：29.

[2]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M].南京：江蘇教育出版社，2006：49.

[3]譚宗俊，王超文.鈉在空氣中燃燒生成淡黃色過氧化鈉的最佳操作[J].化學教育，2010，（2）：35.

[4][5]楊海麗.鈉與二氧化碳反應的實驗探究[J].化學教學，2011，（9）：49～50.