新型Na與H2O反應可自動收集可點燃一體化演示實驗儀器的探究及應用

邱進錄

（甘肅省蘭州市第七十一中學，甘肅蘭州730080）

新型Na與H2O反應可自動收集可點燃一體化演示實驗儀器的探究及應用

邱進錄

（甘肅省蘭州市第七十一中學，甘肅蘭州730080）

針對傳統的鈉與水反應實驗中的不能同時收集氫氣及點燃等不足之處，我研制出"新型Na與H2O反應可自動收集可點燃一體化演示實驗教學儀器"并應用于中學化學課堂實驗教學，不但能減輕化學教師進行相關實驗教學的負擔，大大提高課堂演示實驗的效率，更能通過直觀觀察有效激發學生學習化學的興趣，幫助學生理解相關反應，培養學生的創新意識和實踐能力。

鈉與水反應；高低U型管；自動收集；可點燃；教具

一、研究的背景和意義

鈉與水的反應實驗是高中堿金屬章節中的經典實驗。在人教版教科書上，這個教學演示實驗往往是這樣做的：從煤油中夾取出一塊金屬鈉，用濾紙吸干凈表面的煤油后，用小刀切取綠豆大小的一小塊金屬鈉，切口呈現銀白色的金屬光澤，但光澤迅速消失、變暗，原因是鈉與空氣中的氧氣迅速反應；將這一小塊鈉投入注有水的表面皿或燒杯中，觀察發現鈉浮于水面上，劇烈反應，急速游動，發出咝咝的聲音，并熔成一個閃亮的小球，逐漸縮小，最后完全消失；在反應后的溶液中滴加酚酞，溶液變紅。

這個傳統實驗只是將鈉塊放入到水中，觀察其反應現象，如上圖所示。如果要收集鈉與水反應生成的氫氣就要用下圖所示排水法來收集，并爆鳴。

因此在這個傳統實驗中學生對鈉與水反應就只有定性的認識而很難定量去研究，即使定性也可能是不全面的，如反應生成物中氫氣只能爆鳴而不能看到其燃燒。如何能一次性將反應過程生成的氫氣收集起來，并在空氣中點燃，從而直觀的加以驗證呢？

化學是一門以實驗為基礎的科學，化學實驗是基礎教育階段化學課程實施中學生認識化學和進行科學探究的重要途徑。綜合分析初、高中化學課程標準的基礎要求可以發現，在中學化學課程中，通過"化學實驗"讓學生認識化學反應規律，實現物質的轉化是基礎教育化學課程的重要內容，也是學生進行科學探究的重要載體。

針對教材中，鈉與水反應的演示實驗中存在不足的問題，我們認為為了能在中學化學課堂教學中有效進行"鈉與水反應"的實驗教學，充分發揮化學實驗教學的教育功能，對鈉與水反應的演示實驗作進一步的改進是很有必要和有意義的。

研制"Na與H2O反應的可自動收集可點燃教學實驗儀器"并應用于中學化學課堂實驗教學，不但能有效激發學生學習化學的興趣，幫助學生更好理解Na與H2O的反應，培養學生的創新意識和實踐能力，而且也能大大減輕化學教師進行相關實驗教學的負擔，使演示實驗更易操作，更流暢，更易于學生觀察并得出正確結論。

二、研究設想、過程和成果

基于前人對"Na與H2O反應的教學儀器"的研究，本課題組確立的這個研究項目，旨在借鑒前人研制項目的優點，制作出一套能集展示反應現象、收集反應生成的氣體、點燃反應生成的氣體為一體的"Na與H2O反應的一體化演示實驗教具"替代教材中的先在燒杯中做Na與H2O的反應實驗,在用排水法來收集氫氣和氫氣爆鳴的實驗，輔助中學化學課堂實驗教學。設想該教具應具備以下特點：

（1）符合中學生的認知特點，原理清晰、現象明顯；

（2）便于全班同學直觀、全面、完整地觀察實現現象；

（3）操作簡便、快捷、安全，體現綠色化學理念；

（4）能重復使用，省時，省藥品，成本低，綜合效益高。

本課題主要圍繞三個問題展開研究：

（1）Na與H2O如何安全的反應？

（2）Na與H2O反應生成的氣體如何收集？裝置的氣密性如何解決？如何保證收集到的氣體是純凈的？

（3）如何使整套實驗操作簡捷，呈現的現象便于全班學生觀察？

從網上查找到一些別人做的改進儀器和裝置，其中有的操作復雜、有的不安全、有的設備復雜等。我一開始用酸式滴定管和一個直管來做，不方便；用一般的U型管來做，不能把氫氣點燃……

總之，本課題組經過反復多次試驗后才發現，用一個非對稱（一端高，一端低）的U型管（內徑為3CM左右），再在低的一端塞上一個帶尖嘴和玻璃旋塞的磨口玻璃塞，就能巧妙地將生成的氣體氫氣收集起來：因為生成的氣體（H2）不溶于水，隨著生成的氣體的增加，會自動地把水壓向U型管高的一端，在高的一端形成一定高度的水柱，當玻璃旋塞打開后，利用水柱的壓力，可以把氣體自動壓出，便于在尖嘴口直接點燃氣體。

該演示實驗儀器的改進期望達到的效果是：

（1）能直接看到鈉與水反應的現象；

（2）能自動收集生成的氣體；

（3）生成的氣體（氫氣）易于驗證（可點燃）。

這樣才能既增強說服力和趣味性，又體現其實用價值。

于是，我們從選取鈉塊的大小，計算生成氫氣的多少，選擇U型管的尺寸，長短比例，玻璃塞的大小，密封的方式方法，美觀等角度展開了進一步的試驗，以設計一個最佳比例大小的實驗儀器。最終自行設計出了一種高低非對稱U型管低端口上塞上一個帶尖嘴和玻璃旋塞的磨口玻璃塞的實驗儀器，如下左圖，儀器實際使用情況如下右圖。

新型Na與H2O反應可自動收集可點燃一體化演示實驗教學儀器的實驗使用說明：

（1）檢查裝置的氣密性。

（2）用鐵夾臺將高低U形管夾平，然后從低端管口注滿水，并從管口滴1～2滴酚酞。

（3）切割一小塊金屬鈉，并用濾紙將煤油吸干。然后迅速投入U形管的低端口，塞上一個帶尖嘴和玻璃旋塞的磨口玻璃塞，讓金屬鈉與水充分反應。

（4）待反應完畢后，用手打開尖嘴導管下方的玻璃旋塞，控制氣體的流量，用酒精燈在尖嘴口點燃生成的氣體。

（5）實驗現象：鈉與水劇烈反應，熔成閃亮的金屬小球，并在液面上游動；發生反應的U形管低端管的液面迅速下降，另一側高端管中的液面上升，形成一段高于另一端的水柱；鈉與水反應的低端管內的溶液變紅。點燃氣體時，可見氣體安靜的燃燒，火苗較長，且火焰呈淡藍色，直至氣體耗盡。

（6）實驗結論：滴有酚酞的水變紅，說明有堿生成，根據參與反應的物質所含元素來分析一定是氫氧化鈉。發生反應的一端（低端）管中液面下降，證明有氣體生成，根據參與反應的物質所含元素分析，生成的氣體要么是氫氣，要么是氧氣。因為生成的氣體能夠在尖嘴口部安靜的燃燒，且有淡藍色的火焰，證明生成的氣體一定是氫氣。反應方程式應為：2Na+ 2H2O=2NaOH十H2↑

三、研究成果的優點分析及改進設想

（一）新型Na與H2O反應可自動收集可點燃一體化演示實驗教學儀器的優點：

（1）組裝方便，實驗儀器簡單

第一次組裝好后，重復實驗時安裝比較方便。本實驗裝置分為二部分，一是特殊U形管；二是尖嘴導管構成的閥塞。實驗儀器簡單，可循環使用，降低實驗成本。

（2）操作簡單，便于教師演示

該實驗是將反應裝置和氣體的收集裝置連成一體，利用產生的氣體造成一定的壓強，將壓出的水貯存在一側較長的管內，同時將生成的氣體貯存起來。利用大氣壓液壓原理，在氣體點燃時，貯水一側中的水能順利地將氣體壓出，有利于氣體的點燃；因為起始液面等高，壓出氣體時不至于將水壓到容器外邊，同時又能將氣體全部壓出，不會殘留。火苗的大小可通過控制玻璃閥來控制，該裝置的自動化程度比較高。

（3）氣體純凈，實驗安全有保障

反應前，U形管中注滿了水，迅速將放有鈉的帶有尖嘴的玻璃閥塞在U形管的一端，此時形成了充滿水的密閉體系，生成的氣體中不會混有空氣。雖然鈉與水反應是放熱反應，但因生成的氣體中沒有混有空氣，不會發生爆炸。鈉的用量只影響生成氣體的量，不影響實驗安全。鈉少，生成的氣體較少，燃燒時間較短；鈉多，生成的氣體較多時，據液壓原理可知，最多也只能收集到與U形管底端液面持平處，多余的氣體會從裝有貯水裝置的一端中溢出，同時也不會混入空氣，實驗科學，安全也有保障。

（4）現象明顯，便于學生觀察分析

在進行該實驗時，因為能收集到純凈的氣體，點燃時能見氣體安靜地持繼燃燒，有淡藍色的火焰等明顯實驗現象，有利于學生觀察實驗現象

（二）新型Na與H2O反應可自動收集可點燃一體化演示實驗教學儀器的進一步完善的設想：

經過課題組半年多的研究及反復實踐證明，圍繞這一項目所開展的研究的方向是正確的，也取得了良好的研究成果，并在全校先推廣使用。當然，受學校條件和個人能力的限制，本項目還存在一些不足，有待于以后的改進和完善。例如：

（1）進一步美化外觀，使項目精細化、標準化；

（2）進一化優化性能，如增加刻度，直接讀出反應生成氣體的體積，從而易于對該反應進行定量研究等；

（3）將演示實驗教具開發成適合學生分組實驗的標準化實驗儀器等。

"研究"是一種復雜的、需要人長期專注、艱辛的工作。看著簡單，動手則難，特別是對玻璃儀器的手工加工更是感覺眼高手低，但通過研究獲取的成果是令人欣喜的，經歷研究過程所培養的科學品質和堅韌意志讓人終生受益。

[1]中華人民共和國教育部.高中化學[M].人民教育出版社,2015.

[2]孔玲蕓.自制"氫氧燃料電池展板式教具"在化學實驗教學中的應用[J].化學教學,2013,(05).

邱進錄(1978-),男，漢族，甘肅民勤人，中學一級教師，蘭州市第七十一中學教師，研究方向：中學化學教學。