鈉與水反應實驗裝置的改進

畢曉昀 張會清

摘要： 通過文獻研究歸納數十年來不斷推動“鈉與水反應的氣體產物檢驗”實驗裝置創新的五種重要“道具”： 尖嘴管、J形管、針、肥皂液、注射器。本實驗再次作改進，設計用瓶塞刺穿器為新“道具”的實驗方案，使該實驗操作更簡捷安全、現象更明顯、成功率更高。

關鍵詞： 鈉與水的反應; 瓶塞刺穿器; 實驗裝置改進; 實驗探究

文章編號： 10056629（2020）06006804? 中圖分類號： G633.8? 文獻標識碼： B

1 問題的提出

基于教材實驗的改進與創新是一線中學化學教師開展實驗教學研究的重要內容。“為什么改”（已有實驗方法的缺陷與不足）以及“怎么改”（裝置、步驟、注意事項等）則是其中必須著重解決的兩個關鍵性問題。在諸多的成功案例中，特定儀器、物品或試劑等關鍵道具的使用往往起到至關重要的作用。本文以“金屬鈉與水反應氣體產物的檢驗”這一實驗為例，談談實驗創新與改進過程中關鍵道具的作用，并給出基于新道具的改進實驗方案。

2 文獻研究

以中國知網中的《化學教育》《化學教學》《中學化學教學參考》《實驗教學與儀器》等四本中學化學教學和實驗類期刊為檢索來源，以“鈉”和“水”為關鍵詞進行檢索，去除無關干擾項后共獲得100余篇與“鈉與水反應氣體產物的檢驗”直接相關的實驗改進類參考文獻。其中最早可查的文獻見于《化學教學》1981年第2期發表的“金屬鉀、鈉和水反應的實驗”[1]，1984至1988年《化學教育》共刊出4篇相關文章，之后該實驗研究出現斷檔，直到1993年開始，幾乎每年都有3～4篇文章刊出，2014至2019年間對該實驗的探討尤為熱烈，僅這四本期刊就有50余篇文章刊出，其中不乏對前人實驗方案的總結、分析、對比和評價[2～5]。

仔細研究每一篇文章后發現，百余位作者的研究成果，目的可能略有差異，裝置也都不盡相同，但其中幾種特定道具的出現和使用成為推動這一實驗的改進與創新的關鍵，筆者嘗試對其進行了歸類與分析。

3 推動“鈉與水反應氣體產物檢驗”實驗創新的幾種關鍵道具

3.1 關鍵道具一： 帶開關的尖嘴管——氫氣的收集與釋放更為可控

如圖1a所示，早在1981年楊申姑[6]就使用了帶開關的尖嘴管，其形狀及控制原理均類似于堿式滴定管（如圖1b所示）。與傳統的“用試管排水法收集氫氣，拇指堵住試管口移近火焰”相比，這個開關的存在使得氫氣的儲存、釋放與點燃更具有可控性，并且完全避免了皮膚與氫氧化鈉水溶液的接觸。此后，類似的控制開關被廣泛使用，并被“廢舊的酸式滴定管尖嘴部分（如圖1c所示）”“橡膠管加T形夾（如圖1d所示）”等替代，使得取材來源更為廣泛。陳央央[7]將導管設計成彎形（如圖1e所示），以避免在空間上與其他儀器碰撞。

3.2 關鍵道具二： J形管——改“收集氫”為“儲存氫”

與U形管不同，J形管的一端比另一端高出一部分（如圖2a所示），以容納體系中生成的氣體所排出的水。投入鈉后塞緊橡膠塞，此時尖嘴管處開關為關閉狀態，生成的氫氣排向J形管高出端。待反應結束后，尖嘴管處開關打開，依據連通器的原理，高出的液面下降，將氣體從尖嘴管推出，同時將火焰靠近即可清晰觀察到氫氣燃燒的火焰，現象明顯。但釋放和點燃氣體需要雙手甚至是雙人的默契配合，未經訓練的學生不容易上手，而且J形管屬于異形儀器，需要自制或定制，使其推廣受到很大限制。此后各種原理相近的替代裝置層出不窮。

圖2b裝置保留了U形管的造型，而儲氫空間則由分液漏斗[8]代替，將之改成普通漏斗、長頸漏斗甚至飲料瓶也都能起到相同的作用。還有相當一部分裝置不再使用U形管，直接用廣口瓶[9]（圖2c）或者錐形瓶（圖2d）作為反應容器。

以上若干裝置，雖然外形上差異很大，但從本質上來說都是“排水儲氫”加“尖嘴管點燃驗氫”的組合，原理上并無不同。

3.3 關鍵道具三： 針——鈉的投入方式有了重大突破

1995年劉金雄[10]用一根大頭針穿過切好了的金屬鈉，然后釘在橡膠塞上，蓋上瓶塞之后，通過瓶子的反轉使得鈉與水接觸，隨即熔成小球，脫離大頭針，浮于水面上繼續反應。該方法后來被用于高中化學教材（如圖3所示）。

小小一根針，使得投鈉、蓋塞的兩個操作合二為一，甚至可以單手進行操作。之后的實驗改進中陸續出現了縫衣針、鐵釘、注射器針頭甚至是細鐵絲等代替品。

3.4 關鍵道具四： 肥皂液——氫氣的收集和點燃方式又有創新

2011年劉文明[11]在排水儲氫之后，并沒有直接釋放進行點燃，而是在導管口涂了一些吹泡液，之后緩慢開啟活塞釋放的氣體吹起氣泡（如圖4a所示），輕輕晃動導氣管，氣泡便離開管口，飄然向上，如果用火焰靠近氣泡，便可聽到清脆的爆鳴聲。

上述方法趣味性有余，但可控性不足，對氣體釋放速度和肥皂液的要求都比較高，操作不當可能無法形成較大且不易破裂的氣泡，后期追逐及點燃氣泡的過程也會出現諸多不可控因素。2013年吳茂江[12]改進了肥皂液的用法（如圖4b所示），將生成的氣體通入肥皂液中，再用燃著的火柴直接靠近氣泡。這種方法在2014～2019年的文獻中多次出現，足見其實用性。

3.5 關鍵道具五： 注射器——集反應、儲氫、驗氫于一體

1993年任有良[13]最早開始在該實驗中使用注射器（見圖5），針筒內部成為鈉和水的反應器，生成的氫氣推動注射器內栓向外移動，達到儲氫的目的，反應結束后靠近火焰推出氫氣即可點燃。

隨后，注射器的新功能被不斷地開發出來。如用于向已經準備就緒的裝置中加注少量水，以提升水面高度啟動鈉和水的反應;或在反應結束后抽取少量氫氣進行檢驗;也有將兩個注射器外筒用橡膠管或塑料管連接，就成了可以在U形管和J形管之間任意切換的組合裝置。

鈉與水反應實驗成功的關鍵取決于投鈉、儲氫、驗氫等幾個關鍵步驟，而以上關鍵道具正是突破難點的重要手段。筆者經過反復嘗試，選取以上部分關鍵道具進行重組，并加入新道具，設計出更安全、簡捷的新實驗方案。

4 基于新道具的“鈉與水反應的氣體產物檢驗”實驗方案的設計

4.1 新道具： 瓶塞刺穿器

一次性醫用輸液器套件中刺入輸液袋的一端叫做瓶塞刺穿器（如圖6所示），具有中空金屬針頭，將針、導氣管的作用合二為一，穿進橡膠塞后與輸液軟管配合使用，既可借助針尖戳取鈉粒又可導出氣體，制作非常方便。如暫時無法找到，也可用針和玻璃導管代替。

4.2 其他儀器和試劑

鐵架臺（或大燒杯一個）、大試管、橡膠塞、輸液軟管（或與細玻璃管匹配的橡膠管）、鑷子、小刀、玻璃片、濾紙、鈉、肥皂水（廚房用洗潔精與水1∶10配制）、蒸餾水

4.3 實驗步驟

步驟1： 按圖7所示裝置組裝儀器，并檢查氣密性。裝置a穩定性好，便于教師演示;裝置b省去夾持部分，更加簡單便捷，適合學生實驗。

步驟2： 向大試管中加入水，水面高度與針尖齊平或略低;向小燒杯中加入約30mL肥皂水。

步驟3： 從煤油中取出鈉，切取綠豆大小一粒，用濾紙吸干表面煤油。

步驟4： 從試管上取下帶有針頭的橡膠塞，用針尖扎入鈉塊，蓋回試管，將導管出口沒于肥皂水中。此時若鈉塊與水面沒有接觸，可輕搖試管。

步驟5： 待反應結束鈉塊消失后，將導管出口從小燒杯中取出，用劃著的火柴靠近小燒杯中的肥皂泡，觀察現象。

注意事項：（1）鈉塊不宜過大且表面的煤油需盡量吸干，以防鈉在反應過程中燃燒，導致橡膠塞彈出發生危險;（2）火焰靠近肥皂泡前務必將導管出口移出肥皂液，以避免導管及試管內殘留的氫氣被點燃。

4.4 優點——簡單與安全

“鈉與水反應的氣體產物檢驗”實驗通常被設計成教師課堂演示而非學生實驗，其原因有三： 首先，鈉與水的反應以及氫氣的檢驗存在劇烈燃燒甚至爆炸的危險，教師不敢讓學生親自嘗試;其次，文獻中的一些實驗方案雖然能夠有效提升安全性，但裝置過于復雜，甚至用到異形儀器，不可能準備多套用到學生實驗中;第三，一些實驗設計的操作步驟較為繁瑣，一般學生難以快速上手，如一邊打開開關釋放氫氣一邊點燃的操作，需要雙手甚至是兩人默契配合才能完成，學生操作時容易配合失調而導致實驗失敗。本文新設計的這套實驗裝置則有效地克服了以上缺陷，裝置簡單、操作便捷、可控性強、安全、可重復使用，經多次實踐均取得了非常好的教學效果。

5 關于實驗改進的幾點思考

5.1 理念中的取舍

實驗的改進與創新是新手教師成長的必經階段。實驗改進的目的可能有很多種，其中不乏為了趕時髦而進行的各種改動，但是不是真的有必要呢？化學實驗的“微型化”“數字化”“生活化”“綠色化”都有其各自適用的場合，但是你的課堂真的需要嗎？把教師的演示實驗設計成微型化實驗，你讓學生看什么？明明用手就可以摸出溫度的變化，真的有必要上溫度傳感器嗎？黑面包實驗聞不到焦糖的“香”、鋁熱反應看不到火星四射和煙霧繚繞，把它們“捂”在一個密閉的空間里進行，雖然環保、安全，但和看實驗視頻也就沒什么區別了。

5.2 借鑒中的思辨

一個實驗存在這樣那樣的缺陷需要改進時，前人的經驗可能成為最大的助力。公開發表的文獻資料、學習觀摩過的課例、網絡上的實驗視頻，是我們獲取資源的多種方式，但是信息越多，越需要冷靜的思考。以文中所述“鈉與水反應氣體產物檢驗”為例，90余篇文獻，看起來裝置圖各不相同，但其中的關鍵節點不過幾個，必須加上自己的思考和實踐，才能實現真正的創新。

5.3 生活中的發現

一位優秀的化學教師是戴著“化學的眼鏡”來看世界的。一段新聞、一個廣告、電視劇里的一個片段、商品上的一張標簽，都可能成為課堂創意的來源。生活中有很多物品比如注射器，很早就被用到化學實驗中，還有醫療用的真空袋、輸液軟管、輪式夾、瓶塞刺穿器，以及礦泉水瓶、食品袋中的脫氧劑、紫甘藍和黑枸杞、甚至硫酸亞鐵片……，不管是生活用品、食品還是藥品，只要用得恰到好處，每一樣“道具”都可能給課堂實驗帶來意想不到的效果。

縱觀各級部門組織的化學實驗創新大賽，其中很多作品確實讓人耳目一新，但真正能夠用到課堂上的又有幾個？筆者認為，課堂實驗的改進最根本的目的就是拉近學生與實驗的距離，讓學生能夠更真切地感受實驗本身，方便學生觀察或上手，這才是實驗改進與創新的真正意義所在。

參考文獻：

[1][6] 楊申姑. 金屬鉀、鈉和水反應的實驗[J]. 化學教學， 1981， （2）： 29～30.

[2] 朱思光. 鈉與水反應的各種實驗方案比較研究[J]. 實驗教學與儀器， 2014， 31（1）： 28～30.

[3] 徐志宏， 周正祥， 李大成. 鈉與水反應實驗的新設計[J]. 化學教學， 2016， （9）： 51～53.

[4] 伍強， 方娟， 蔡益. 鈉與水反應實驗的創新設計[J]. 化學教學， 2017， （8）： 73～75.

[5] 劉玉榮， 王陽. 鈉與水反應的改進實驗綜述及新設計[J]. 化學教學， 2018， （12）： 75～80.

[7] 陳央央， 陸戰英. 鈉跟水反應演示實驗的改進[J]. 中學化學教學參考， 1999， 28（5）： 33.

[8] 方艷紅， 周婷， 孔衍. 鈉與水反應實驗的創新設計[J]. 實驗教學與儀器， 2014， 31（2）： 34～35.

[9] 熊曉丹， 羅先進， 孫丹， 伍曉春. 鈉與水反應實驗裝置的組合化改進[J]. 中學化學教學參考， 2015， 44（6）： 72.

[10] 劉金雄. 鈉與水反應的實驗新方法[J]. 化學教學， 1995， （3）： 11～12.

[11] 劉文明. 鈉與水反應實驗的改進[J]. 實驗教學與儀器， 2011， 28（1）： 26.

[12] 吳茂江. 鈉與水反應實驗方案創新設計[J]. 實驗教學與儀器， 2013， 30（6）： 37～38.

[13] 任有良. 也談鈉跟水反應的實驗改進[J]. 化學教育， 1993， 14（4）： 43～44.