淺析金屬鈉與水全反應方案設計與實現

徐佳+吳明

金屬鈉與水反應是高中化學重要實驗之一。高中教材中的實驗設計基于教師課堂演示，不利于學生自己動手操作；現有改進方案多集中在反應容器和對NaOH的驗證，沒有涉及對反應生成物H2的驗證，部分仍存在安全性。受醫用吊瓶注射器和家用燃氣灶點火器啟發，對金屬鈉與水反應方案進行了重新設計，采用通過吊瓶導管和針頭連接的2個礦泉水瓶作為反應容器，不僅能清楚觀察到氣體的生成并對其溶解性進行驗證，而且可避免空氣和H2混合氣體的生成，提高系統安全性；通過吊瓶導管和針頭將產生的H2在玻璃瓶中通過直流點火器進行燃燒，可實現對鈉與水反應生成物的H2的安全驗證。新的實驗方案，效果明顯，成功率高，安全可靠，實驗設備易于獲取，有利于培養同學們的探究精神。

鈉水反應實驗改進直流點火器高中化學實驗金屬鈉與水反應是高中化學重要實驗之一，但現有高中教材中的鈉與水反應實驗設計是基于教師在課堂上進行演示，如果要同學自己動手進行鈉與水反應實驗，無論是實驗器材還是安全性以及對反應產物驗證方面均存在許多問題，因此很多老師和同學對教材上的鈉與水反應方案進行了改進。但現有改進方案多集中在反應容器和對NaOH的驗證方面，沒有涉及對H2的驗證；部分改進方案仍然存在產生空氣和H2混合物的可能性，安全問題無法保證；所用實驗設備多為實驗室專用儀器，不便于進行大規模實驗和培養大家的動手能力。受醫用廢棄注射器和家用燃氣灶點火器的啟發，我對金屬鈉與水反應方案進行了重新設計，不僅可對鈉與水反應產物全部進行驗證，而且提高了實驗安全性和進行大規模實驗的可能性。

一、實驗原理

2Na+2H2O=2NaOH+H2↑

2H2+O2=2H2O

由上述化學反應方程式可知，金屬鈉與水反應生成NaOH和H2，NaOH溶于水可通過酚酞溶液驗證，H2可通過在空氣中燃燒生成水進行驗證。

二、實驗方案設計

我的設計的實驗方案不僅考慮到NaOH的驗證，還考慮到H2的驗證，而且考慮到實驗的安全性和實驗器材的容易獲取。實驗主要器材均采用現有廢舊物品，如飲料瓶、醫用注射器及其導管等，便于大量制作，可以使同學們進行自主實驗，實驗方案示意圖如圖1所示。

清涼油盒用于固定金屬鈉，防止其在水中游走，同時將清涼油盒鉆多個小孔，用大頭針或細鐵絲與其連接；兩個飲料瓶作為鈉與水反應的主要容器，分別在底部鉆孔，用塑料膠將注射器管粘牢，確保不漏氣、不漏水，注射器之間用白色透明導管連接，其中一個飲料瓶放置高于另一個飲料瓶；選擇一個合適的軟木塞，將連接清涼油盒的細鐵絲插入軟木塞，將軟木塞和清涼油盒塞入其中一個飲料瓶，確保其不漏水、不漏氣；廣口玻璃瓶用于進行H2的燃燒試驗，口向下，用軟木塞塞入，軟木塞分別插入直流點火器兩電極，電極之間插入注射器針頭，同時軟木塞還要插入一直管用于空氣的補充和H2燃燒生成的水的流出。

三、實驗用品

1.實驗器材

脈動飲料瓶2個，廣口玻璃瓶1個，清涼油盒1個，注射器2支，廢吊瓶導管及針頭2套，塑料膠水，軟木塞3個，直流點火器及導線若干，鐵絲，夾子，鑷子，濾紙，小刀，小鋼釘，5號電池2節，鉗子等。

2.實驗藥品

金屬鈉，酚酞溶液，蒸餾水。

四、實驗步驟

1.將2個飲料瓶分別置于不同高度，其中一個飲料瓶約高于另一個飲料瓶50%高度，分別注入蒸餾水，使其中處于低處的飲料瓶中蒸餾水剛好溢出；

2.將酚酞溶液滴入將要放入金屬鈉的飲料瓶中；

3.從煤油中取一小塊金屬鈉，用衛生紙吸干其表面煤油，切去表面的氧化膜后立即放入帶孔清涼油盒，快速將與清涼油盒連接的軟木塞塞入裝滿蒸餾水的飲料瓶中；

4.此時可以看到密閉飲料瓶中水位逐漸下降，另一個飲料瓶中水位逐漸上升，說明產生大量氣體，待液位下降到低于清涼油盒時則不再下降，說明反應停止；發現溶液變紅，說明產生了堿性物質，可以推測是NaOH；

5.將兩端連接注射針頭的導管中間用夾子加緊保證其不通氣，一端針頭通過軟木塞插入產生氣體的飲料瓶中，另一端插入廣口玻璃瓶軟木塞中，接通直流點火器電源，松開導管夾子，可觀察到玻璃瓶中針頭處有淡藍色火焰，玻璃瓶中有水珠產生，說明產生的是氫氣；

6.隨著燃燒的進行，裝有鈉的飲料瓶水位開始上升，如果裝入的鈉較多，此時反應繼續，繼續產生氫氣，形成穩定氣源，直至鈉與水完全反應；

7. 在第6步中如果將導出氣體的開關關閉，由于氫氣的產生將水通過導管流到另一個瓶子中形成噴泉，可增加實驗趣味性（實際實驗裝置如圖2所示）。

五、實驗方案分析

對比我所設計的鈉與水全反應方案與已有實驗改進方案，存在如下優點：

1.采用礦泉水瓶作為反應容器，取材容易；通過導管將兩個礦泉水瓶連接成U型管，易于排出反應容器中的空氣，防止H2和空氣混合氣體的產生，提高了實驗安全性；

2.用注射器針頭導出氫氣，操作簡單、安全；氫氣的檢驗采用直流點火器點燃，安全性好，現象明顯，效果好；

3.金屬鈉被密閉在清涼油盒內，不與水直接接觸，可以很方便的塞進軟木塞；通過導管將兩個礦泉水瓶連接成U型管，金屬鈉的量可以多些，一次裝入可以進行多次反應，增加實驗的趣味性；

4.裝置簡單，便于學生自己制作裝置進行分組實驗，培養了學生的動手能力；

5.電子點火器的引入，將物理實驗與化學實驗聯系起來，有利于同學們對物理知識與化學知識的融合；

6.實驗裝置的改進激發了同學們的創新精神，并強化了大家的安全意識，有利于培養我們實事求是的科學態度和觀察問題、分析問題、解決問題的思維品質。

實驗方案存在的主問題要是電子點火器的獲取，社會上沒有太多廢棄煤氣灶可利用，購買新的電子點火器雖然不貴（10元左右）但無形增加了實驗成本；實驗中多處使用了注射器針頭，需要同學們小心操作否則易刺破手。

化學是一門以實驗為基礎的科學，化學實驗具有區別于其他學科的獨特作用。通過實驗不僅可以培養我們細致觀察的習慣，而且可以訓練我們通過實驗現象進行合理假設并對假設進行驗證的科學素養。

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