金屬鈉保存試劑探究

李鴻斌

（四川中醫藥高等專科學校，四川綿陽 621000）

1 概述

長期以來，實驗室使用的金屬鈉均保存在煤油中，對此，教師、學生均習以為常，師生們普遍認為，之所以將金屬鈉保存在煤油中，主要是由于以下兩方面因素：

1）金屬鈉不會與煤油中各組分發生化學反應。

2）金屬鈉與煤油相比密度更大，當金屬鈉加入煤油介質中就可以沉降在煤油介質底層，被煤油全部覆蓋，從而隔絕空氣保持穩定。

那么，事實是否真的完全如此呢？通過研究，得出的結論是否定的。

2 目前金屬鈉保存試劑存在的不足

如果認真觀察封存在煤油介質中的金屬鈉便會發現，金屬鈉放置在煤油介質中一段時間以后，隨著時間的推移，原本具有銀白色金屬光澤的金屬鈉表面會出現一層灰色到土黃色的物質，如果將金屬鈉表面出現的這一層灰色到土黃色的物質切割掉，再重新將它放入煤油中，過一段時間后會發現新切割的具有銀白色金屬光澤的金屬鈉斷面上又會出現少量氣泡，隨著放置時間的推移，在金屬鈉的斷面上會重新產生灰色到土黃色的物質。

以上現象說明，煤油中的某些組分會和金屬鈉發生化學反應，產生的物質沉積在金屬鈉表面，在做金屬鈉的相關性質實驗時，為了取得純凈的金屬鈉，必須每次小心地剔除掉金屬鈉表面沉積的反應物質。這樣做，既浪費了原料，又十分不便，剔除不干凈還將可能對金屬鈉性質的驗證實驗等產生影響。

同時，由于煤油的沸程為180～310℃，揮發性較強，揮發較快，為保證金屬鈉完全被煤油封存，需要不定時添加煤油。煤油易燃，揮發后與空氣混合形成爆炸性的混合氣，爆炸極限為2%～3%，在經常有加熱、點燒、燃燒等操作的實驗室環境中放置，具有一定的安全隱患。煤油略具酸臭，一般屬微毒-低毒物質，吸入溶膠或霧滴會引起黏膜刺激，對人體也具有一定的危害性。

3 在煤油中金屬鈉表面產生氣泡及土黃色物質的原因分析

要弄清楚金屬鈉保存在煤油中銀白色光澤的表面會產生氣泡及土黃色物質的原因，就必須要弄清楚煤油的成分，以便找到與金屬鈉發生反應的物質，進而對觀察到的現象作出科學的解釋。

煤油作為石油分餾產品中餾分之一，其包含成分與其來源有直接聯系。從石油產品中非烴類物質的構成情況著手，來探究在煤油中金屬鈉表面產生氣泡及土黃色物質的原因。

3.1 石油產品中非烴類物質的分布情況

石油是一種深褐色的黏稠液體，是由碳氫化合物及其衍生物組成的一種混合物，把石油進行分餾，按沸點不同，可以得到各種石油產品，如表1所示。

表1 石油分餾產物

在石油產品中，存在多種非烴類物質，其主要組成情況如表2所示。

表2 石油產品中主要的非烴類物質

含硫化合物硫在石油餾分中的分布一般是隨著石油餾分沸點的升高而增加，大部分硫集中在重餾分油和渣油中。

石油中的氧都是以有機含氧化合物的形式存在的，包括醛、酮、醇、酯、環烷酸、脂肪酸、酚、無機酸、芳香酸、硫醇等。石油中的含氧化合物主要以酸性含氧化合物為主，其中主要是環烷酸。環烷酸是一種帶有五元環或六元環的十分復雜的羧酸混合物，相對分子質量多在200～700，為淡黃色或橙色液體，是一種較難揮發的黏稠液體，在石油餾分中多分布在中間餾分，占石油酸性含氧化合物的90%左右。

石油中的氮含量一般比硫含量低，氮分布也是隨著餾分沸點的升高含量迅速增加，約有80%的氮集中在400℃以上的重油中。

3.2 金屬鈉與煤油組分之間發生的主要化學反應

通過對石油產品中非烴類物質的分布情況進行分析可以發現，環烷酸是煤油組分中能與金屬鈉發生反應的主要物質，環烷酸的化學式可表述為：

環烷酸是一種極弱的酸，對某些金屬有腐蝕作用[4]，與金屬反應生成鹽。

將金屬鈉放入煤油中，金屬鈉與煤油中的環烷酸之間會發生如下反應：

將金屬鈉封存在煤油中，在金屬鈉銀白色光澤的表面會產生氣泡正是由于反應產生了氫氣的原因。而生成的RCOONa 為白色糊狀物[5]。RCOONa 與淡黃色或橙色液體的RCOOH 之間存在著氫鍵等較強的相互作用，體系中存在組成為RCOONa.RCOOH 及更多種類的酸鹽締合物，這些締合物在煤油中的溶解度較小，故在煤油中以土黃色物質形式析出，附著在金屬鈉表面。這就是為什么封存在煤油中金屬鈉表面上會產生土黃色物質的主要原因。

4 煤油介質的凈化處理及金屬鈉保存效果對比

通過以上的分析，發現煤油作為常見保存金屬鈉的介質，由于煤油中環烷酸的存在，會消耗掉部分金屬鈉，同時，由于反應生成的酸鹽締合物包裹在金屬鈉的周圍，給金屬鈉的取用帶來不便并可能影響實驗結果。

為了消除煤油中環烷酸對金屬鈉的影響，去除煤油中的環烷酸應該是較好的辦法。基于簡便、快捷、可操作性強、材料易得、實用的原則，根據環烷酸的酸性性質，擬定了用酸堿中和的辦法，用強堿去除煤油中的環烷酸。

酸與堿發生中和反應，生成鹽和水。環烷酸與強堿譬如氫氧化鈉（NaOH）反應的化學方程式如下：

從反應式可以看出，利用與氫氧化鈉的中和反應，雖然可以去除煤油中的環烷酸，但是，由于反應生成了水，水極易與金屬鈉反應，不僅消耗金屬鈉還由于水與金屬鈉反應劇烈而且放出大量的熱，會引發煤油的燃燒甚至爆炸，所以，必須徹底清除體系中產生的水分。選擇活性炭，利用活性炭的吸附性來清除中和反應產生的水。這個方法所需要的試劑一般化學實驗室均能提供，反應物質的量也易于控制，產物用簡單的過濾方法就可以分離。但是，由于活性炭的吸附能力較強，在吸附水分的同時，也會吸附大量的煤油，既消耗原料又給活性炭的解吸和回收帶來困難，所以，不是很好的處理方法。

要解決這一問題，就需要找到一種既可清除環烷酸，又可以同時除去反應生成的水的物質。這種物質必須具備堿性，能與環烷酸反應，同時，反應生成的水分又能與之結合成易于清除的產物。要具備這樣的條件，想到了堿性氧化物，再進一步，從堿性氧化物中篩選出了氧化鈣（CaO）。這是由于氧化鈣能夠與環烷酸反應，中和掉煤油介質中存在的環烷酸，同時，反應過程中生成的水又能被過量的氧化鈣中和形成氫氧化鈣。其反應式如下：

這樣，通過向煤油介質中加入過量的氧化鈣，既可清除掉煤油中的環烷酸，同時，又中和了反應產生的水。最后通過過濾清除掉反應過程中產生的（RCOO）2Ca、Ca（OH）2和過量的CaO，從而得到不含環烷酸的更為純凈的煤油。

為了驗證用氧化鈣凈化去除環烷酸后的煤油介質保存金屬鈉的效果，將新切割的通體呈現銀白色金屬光澤的潔凈金屬鈉分別放入用氧化鈣處理后的煤油介質和沒有用氧化鈣處理的普通煤油介質中，進行對比實驗發現，用氧化鈣處理后的煤油介質和未用氧化鈣處理的煤油介質中保存的金屬鈉，經過一個月以后，金屬鈉表面均會變暗，失去銀白色金屬光澤，保存在未用氧化鈣處理的煤油介質中的金屬鈉六個月后表面即形成一層灰色到土黃色的物質，保存在用氧化鈣處理后的煤油介質中的金屬鈉六個月后表面變灰，隨著時間的推移，十二個月后，金屬鈉的表面也會逐漸形成一層土黃色的物質。

這個對比實驗說明：煤油中存在的環烷酸僅僅是影響金屬鈉保存效果的原因之一，在煤油中，除開環烷酸外，應該還有其他物質能與金屬鈉反應，產物在金屬鈉表面聚集形成灰色到土黃色的物質。

5 保存金屬鈉的新試劑

通過以上的分析及實驗發現：由于金屬鈉與煤油介質中存在的環烷酸等物質反應，會消耗掉部分金屬鈉，同時，反應形成的締合物在金屬鈉表面沉積，使得在使用金屬鈉時必須剔除金屬鈉表面的沉積物，使金屬鈉的取用變得較為繁瑣，同時，由于煤油本身易揮發、易燃、有一定的刺激性和毒性，并不是保存金屬鈉的最好的試劑。

鑒于用煤油保存金屬鈉存在的以上不足，開始尋找金屬鈉保存的新試劑，并對此展開了實驗、研究。

5.1 保存金屬鈉的試劑應具備的條件

保存金屬鈉較好的試劑，原則上應具備以下5大條件：（1）保存試劑及其組分不和金屬鈉發生化學反應；

（2）金屬鈉的密度應比保存試劑大，使金屬鈉能沉降在試劑底部，完全被試劑介質包裹，保證金屬鈉和空氣隔絕；

（3）保存試劑穩定性強、揮發性小、無毒無害；

（4）保存試劑較為常見、價格低廉、易于購買；

（5）金屬鈉表面附著的保存試劑便于去除。

根據以上對金屬鈉保存試劑的5大要求，對常見的符合以上條件的試劑進行了比對分析，最終選擇液體石蠟試劑進行研究。

5.2 液體石蠟試劑的實驗驗證

液體石蠟為無色半透明液體，無味無臭，對光、熱、酸穩定，對人體無害，沸點180～250℃，常溫下幾乎無揮發性，密度0.86～0.905g/cm3，比金屬鈉密度0.968g/cm3小，因此，金屬鈉能沉降在液體石蠟試劑的底部，保證了金屬鈉和空氣的隔絕，取用金屬鈉時，金屬鈉表面附著的液體石蠟易于清除，即使黏在手上也不會對人體產生危害。同時，液體石蠟價格低、購買方便，滿足保存金屬鈉的物理條件。

在試劑揮發性、金屬鈉與試劑間的反應性方面實驗結果如下：

（1）揮發性實驗。為了直觀地觀察液體石蠟的揮發性，用潔凈的帶刻度的50mL 的小燒杯取成都金山化學試劑有限公司生產的批號為090904的化學純的液體石蠟50mL，敞放在實驗臺上，室溫下保存（17℃/10℃），并注意觀察它的揮發性。通過觀察發現液體石蠟在經過一個月、半年、一年的時間段后，分階段觀察，體積沒有變化，一直沒有揮發。

（2）反應性實驗。同樣用潔凈的50mL 小燒杯，取用以上試劑廠生產的同批次液體石蠟，在試劑中加入新切割的斷面帶有銀白色光澤的金屬鈉，放入液體石蠟試劑中，剛放入時，金屬鈉表面會有少量氣泡產生，經過幾秒鐘后，氣泡便不再產生，金屬鈉斷面上光潔如初，未發現其表面及燒杯底部有其他物質出現。一年以后，保存在液體石蠟中的金屬鈉表面仍然光潔如初，未觀察到有反應物質出現。此實驗現象說明，剛把金屬鈉放入液體石蠟中時，由于殘存于液體石蠟中的微量的游離酸與金屬鈉反應產生少量氫氣，故有氣泡出現。但由于液體石蠟中殘存的羧酸量很少，故氣泡產生的時間較短，無產物在金屬鈉表面沉積，而液體石蠟本身并不會和金屬鈉發生化學反應。

6 結束語

通過以上的分析和實驗可知：由于金屬鈉與煤油中環烷酸等物質之間的反應，使得保存在煤油中的金屬鈉被部分消耗掉，實驗時剔除金屬鈉表面沉積的反應締合物較為麻煩，同時由于煤油自身的刺激性、易揮發性、易燃、易爆性和毒性，說明煤油并不是保存金屬鈉的理想試劑。而液體石蠟，由于它的穩定性高、不與金屬鈉反應、難以揮發、無味無臭、去除方便、價廉易得，無疑是目前研究發現的保存金屬鈉的較好試劑。