鈉與水反應爆炸原因的實驗再探究

李元華 葉永謙

摘要： 教材中對鈉與水演示實驗后期偶發爆炸存在不同解釋。通過控制鈉球的游動和對其表面積進行處理等方法進行鈉與水反應發生爆炸原因的探究，發現存在熔融鈉的小火球爆炸和氫氧混合氣體爆炸兩種爆炸形式。認為教材演示實驗存在的偶發爆炸是熔融鈉的小火球爆炸，并通過實驗證明該爆炸遇水或空氣均可發生。實驗方案的設計及探究過程有利于學生增強證據推理能力和安全環保意識，促進核心素養的發展。

關鍵詞： 鈉與水反應; 爆炸原因; 實驗探究

文章編號： 10056629（2022）06006504

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

鈉與水反應是中學化學研究活潑金屬性質的重要反應，教材中的演示實驗一般是將綠豆大小的金屬鈉投入裝有水的燒杯中觀察現象。最新修訂的魯科版和蘇教版普通高中教科書《化學（第一冊）》也是如此。由于該實驗后期偶有輕微爆炸的現象發生[1]，人們對爆炸的原因有多種不同解釋： 孫成斌老師認為是鈉與水反應產生的氫氣在空氣中燃燒導致的爆炸[2];劉懷樂老師認為是反應產物過氧化鈉與水接觸生成的氧氣和氫氣混合燃燒導致的爆炸[3];王偉列老師認為是反應放出大量的熱使水迅速蒸發，常溫下的水瞬間變為水蒸氣，體積急劇膨脹導致爆炸的發生[4]。以上三位老師均基于教材演示實驗進行了研究。為了進一步探究爆炸的原因，曾顯林老師把綠豆大小的金屬鈉置于濕潤濾紙上，使用數字影像技術輔助進行研究，認為爆炸的原因是鈉與水反應的產物氫氧化鈉受熱形成無色透明的熔融狀態小球，該小球與水接觸后因外部急速降溫導致內外受熱不均而引發爆炸[5];捷克化學家Philip E.Mason、 Pavel Jungwirth等使用室溫下保持液體狀態的鈉鉀合金裝在注射器注入水中，利用超高速攝影和計算方法進行研究，認為是熔融鈉球與水接觸的瞬間，電子從熔融鈉球轉移到水中產生鈉離子，鈉離子之間相互排斥導致的庫倫爆炸[6]。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》關于化學學科核心素養的水平劃分中，要求學生“能從物質及其變化的事實中提取證據，對有關化學問題提出假設，能依據證據證實或證偽該假設”，并“能從宏觀和微觀結合上收集證據，能依據證據從不同視角分析問題，推出合理的結論”。鈉在水中反應后期偶有爆炸是實驗事實，對該爆炸的原因存在諸多解釋，通過提出假設、設計實驗收集宏觀和微觀的證據進行證實或證偽，得出合理的結論，有利于發展學生的“證據推理與模型認知”素養。

2 鈉與水反應爆炸的實驗設計

教材中鈉與水演示實驗的爆炸是后期偶發的，為了探究爆炸的原因，需要再現類似環境下發生爆炸的過程，再通過攝像回放等方法進行研究。如何引發綠豆大小的鈉球與燒杯中的水反應產生爆炸呢？鐘祥日老師觀察的結果是爆炸往往發生在鈉球變小至即將消失時，小鈉球游動速度加快并往往游靠在燒杯壁上產生輕微的爆炸，有時輕微的爆炸還伴隨著小火星，然后鈉球全部消失[7]。鈉球靠在燒杯壁上更容易引發爆炸，是因為反應產生的熱量無法及時釋放，溫度瞬間升高引發小火星導致爆炸。因此，設計的方向在于如何使鈉球靠在燒杯壁上反應而不四處游動。

2.1 利用三角漏斗控制鈉的游動方向再現爆炸過程

設計該實驗的難點有兩個： 一是如何控制鈉球的游動方向，讓其往燒杯壁方向游動;二是接觸到燒杯壁后如何不讓其離開。為了解決以上問題，必須先判斷與水反應過程中鈉是否真的處于熔融狀態。為了判斷狀態，將鈉投入燒杯水中后，從燒杯底部和水面上兩個方向分別攝像。回放畫面顯示，鈉在水面以下是銀白色的，而露出水面的部分表面是白色的，說明金屬鈉接觸水后生成的氫氧化鈉并沒有覆蓋在其水面以下部分，水可以不斷與鈉反應生成氫氣，不同方向產生的氫氣推動鈉球四處游動。使用鑷子無法夾起游動中的鈉球，鈉球遇鑷子立即分成多個小球，說明鈉球確實處于熔融狀態。

為了讓鈉球往器壁游動，可以使用三角漏斗代替燒杯，利用鈉球在三角漏斗水面上游動產生的漩渦不斷將鈉球推向漩渦外圍，最終靠在漏斗壁上。漏斗壁與垂直的燒杯壁不同，存在斜面可以讓熔融的鈉球緊貼在其上面。而且鈉球與漏斗壁緊貼的一側無法接觸水，另一側接觸水產生氫氣的推力可以使其不再四處游動。經過試探，使用玻璃三角漏斗因受熱不均易導致破裂，因此改用塑料三角漏斗進行實驗。實驗時用橡皮塞堵住塑料三角漏斗下管口，漏斗口正面朝上平放在桌面上，加入蒸餾水至液面離漏斗上口邊沿2厘米處，再投入綠豆大小的鈉球（見圖1）。

鈉球與水接觸后游動到三角漏斗斜壁上，緊貼在斜壁上與水繼續反應。一段時間后，鈉球燃燒起來且持續較長時間但并未爆炸，燃燒到后期鈉球變成表面為銀白色的小球，燃燒產生的高溫將塑料漏斗燒出一個小洞。鈉球從洞口掉出熔成小火球，接觸空氣后出現火星四射的爆炸現象。以上現象與上述鐘祥日老師的觀察結果基本一致，即鈉與水反應后期出現的爆炸往往還伴有小火星出現[8]。

2.2 利用502膠水控制鈉的表面積再現爆炸過程

以上實驗利用三角漏斗形成的漩渦成功控制了鈉球的游動方向，使其緊靠在漏斗壁上反應，再現了鈉球先燃燒后爆炸的反應過程。但鈉球的爆炸是在空氣中進行而非在水面上進行的，如果熔成小火球的鈉球仍在水面上，是否同樣會發生爆炸呢？在鐘祥日老師的實驗中，還使用沾有煤油的鈉球與水反應進行對照實驗，發現其更容易爆炸。爆炸的原因在于煤油會包裹鈉球使反應放出的熱量不易擴散，最終燃燒并發生爆炸。根據該原理，借鑒502速膠包裹鈉球控制其表面積的做法，設計了熔成小火球的鈉球與水反應的實驗。具體方法如下： 先將鈉切成邊長為5mm的小立方體，浸沒在502膠水中，一段時間后取出在空氣中風干。檢查鈉表面是否全部被502膠水覆蓋的方法是： 將處理后的鈉球再投入水中，如果不反應說明表面已覆蓋完整。再用醫用注射器的針頭在鈉表面扎出直徑約為2mm的小孔。2578C410-6FB7-4684-BC2F-344162CFBBE4

將扎孔后的鈉球投入燒杯的水中，鈉球表面小孔不斷冒出氣泡，氣泡推著鈉球四處游動，直觀展示了氫氣的推動是鈉球四處游動的原因。一小段時間后，一個小鈉球從孔中游出，表面為白色，與教材演示實驗的現象相同。再過一段時間，由于502膠皮的包裹使其內部鈉球溫度迅速升高，另一個鈉球熔成一個小火球從孔中游出進入水面，形成火星四射的劇烈爆炸現象。反應后期，燒杯液面上一個白色鈉球、一個小火球對比明顯。

通過以上兩個實驗，發現鈉球爆炸的前提是溫度升高至熔成小火球，小火球在空氣中及水面上都可以爆炸。這個結論與王偉列老師的觀點既有相似之處，也有不同之處。相似之處在于都認為鈉球爆炸必須先熔成小火球;不同之處在于王偉列老師認為爆炸與水蒸氣的體積急劇膨脹有關[9]。而本實驗研究的結果是鈉熔成小火球后在空氣中也能爆炸，與是否有水蒸氣無關。

3 鈉與水反應氫氧混合氣體爆炸實驗的設計

上述實驗表明鈉球爆炸與水蒸氣無關，但是否與生成的氫氣有關呢？孫成斌老師、劉懷樂老師等均認為爆炸與氫氣有關，前者認為是空氣的存在導致不純氫氣的爆炸[10];后者認為是過氧化鈉與水接觸生成的氧氣與氫氣混合燃燒導致的爆炸[11]。為了進一步厘清教材演示實驗后期的爆炸與氫氣是否有關，必須設計類似環境下氫氧混合氣體爆炸的實驗進行對比。

3.1 利用錐形瓶留住部分氫氣再現混合氣體爆炸過程

與前述原因相同，由于鈉與水反應后期的爆炸是偶發的，要研究爆炸是否與氫氣有關，必須再現有氫氣參與的爆炸過程進行研究。教材中鈉與水的實驗在燒杯中進行，由于燒杯敞口有利于氫氣的擴散，無法設計氫氣參與的爆炸實驗。為了將部分氫氣留在體系中參與爆炸過程，可以縮小敞口程度，將燒杯改為錐形瓶。將綠豆大小的鈉球投入裝在錐形瓶的水中，鈉球先游動后緊靠在瓶壁與水反應，一段時間后開始燃燒，燃燒后瞬間引起爆炸并形成巨大的氣體沖擊力，爆炸過后錐形瓶液面上籠罩一層水霧。這種混合氣體的爆炸與鈉的小火球火星四射的爆炸不同，后者并沒有產生明顯的氣體沖擊力。這個實驗具有安全警示意義，即鈉與水反應容器必須是敞口程度大的儀器（如燒杯或培養皿等），且儀器上方不宜再蓋上玻璃片或塑料片等，否則可能因氫氣無法及時逸出導致混合氣體爆炸的發生。

3.2 利用雙口燒瓶留住少量空氣再現混合氣體爆炸過程

上述錐形瓶中的氣體爆炸非常明顯，但氧氣是來自空氣還是來自過氧化鈉與水反應，還不能有效判斷。由于純氫氣環境下鈉球無法燃燒[12]，要研究過氧化鈉與水反應生成的氧氣是否參與爆炸，必須先讓鈉在少量空氣中燃燒起來生成過氧化鈉。因此，需要創設一個氫氣多空氣少的封閉環境研究。使用鋁箔包裹鈉球投入密閉裝置的氫氧化鈉溶液中可以解決該問題。一是鋁箔可以與氫氧化鈉溶液反應生成大量的氫氣;二是鋁箔反應一段時間后形成缺口，有利于鈉球游出與水反應。具體的做法是： 將長頸三角漏斗通過單孔橡皮塞塞緊雙口筒形平底燒瓶（簡稱雙口燒瓶，下同）的中管口，往側管口加入氫氧化鈉溶液至液面離側管口2厘米處，再投入鋁箔包裹的綠豆大小的鈉球，用橡皮塞輕輕塞住側管口（見圖2）。此時雙口燒瓶內有部分空氣留住，創設出空氣少的環境。使用雙口燒瓶而不用單口燒瓶，還在于可以將側管口作為爆炸的緩沖口，一旦爆炸，側管口橡皮塞可以彈出，防止玻璃儀器的破裂。因此，側管口橡皮塞不宜塞得太緊。

反應開始后，鋁箔與氫氧化鈉溶液反應產生的氫氣將反應液壓入長頸三角漏斗，一段時間后，鈉球從鋁箔缺口中漏出并在水面上四處游動。隨后燃燒起來（裝置中少量空氣可助燃），燃燒著的鈉球繼續游動三四圈后才發生爆炸，側口橡皮塞被彈出，但爆炸不如錐形瓶中的爆炸劇烈，也無火星四射的現象。燃燒著的鈉球游動一段時間后才發生爆炸，說明過氧化鈉與水接觸生成的氧氣是有參與氫氣爆炸的可能性的。

4 實驗結果與討論

通過以上實驗對比，可以明顯區分出兩種不同的爆炸： 一種是熔融狀態的鈉的小火球遇水或空氣的爆炸，其特點是伴有燃燒且火星四射;另一種是氫氧混合氣體的爆炸，其特點是瞬間產生大量氣體，具有明顯的氣體沖擊力。教材中演示實驗后期偶發的爆炸應屬于前一種，即熔融狀態的鈉的小火球遇水發生的爆炸。

教材演示實驗中使用燒杯裝水可以讓鈉球四處游動，有利于將反應產生的熱量不斷分散，不至于形成熔融的小火球。一旦鈉球出現緊靠在燒杯壁上某個位置不游動的情況，反應放出的熱量不斷聚集導致鈉球溫度升高，最后就有可能變成熔融小火球爆炸。由于后者出現的幾率不高，因此屬于實驗中的偶發現象。如果選用敞口塑料制品代替燒杯做該實驗，必須通過搖動容器以防止鈉球附著在塑料瓶壁上燃燒形成小孔，最后導致熔融的鈉的小火球爆炸[13]。

以上研究針對教材中鈉與水演示實驗后期偶發爆炸的實驗事實，對氫氧混合氣體爆炸、水蒸氣爆炸、熔融的鈉的小火球爆炸等不同解釋設計實驗方案進行驗證，得出教材演示實驗爆炸與熔融的鈉的小火球有關

的結論。因而建議選擇敞口容器、防止鈉球緊貼器壁不游動等措施提高該演示實驗的安全性。通過問題的提出、實驗方案的設計以及證據的收集和科學的推理，得出合理的結論及實驗注意事項。特別是通過從液面下方拍攝、觀察到鈉球處于熔融狀態的設計、鈉球緊靠塑料三角漏斗壁與水反應的實驗操作與控制，有利于激發學生的探究興趣和安全意識，培養學生的證據推理和創新能力，從而促進學生核心素養的不斷發展。

參考文獻：

[1][7][8]鐘祥日. 鈉與水反應實驗發生爆炸的原因[J]. 廣東教育（教研版）， 2009， （5）： 53.

[2][10]孫成斌. 鈉與水反應實驗現象的解釋[J]. 黔南民族師專學報， 1999， （6）： 45～46， 51.

[3][11]劉懷樂. 鈉與水反應實驗現象剖析[J]. 化學教育， 1990， （2）： 39～41.

[4][9]王偉列. 對金屬鈉遇水發生爆炸的探討[J]. 化學教學， 2004， （4）： 13～14.

[5]曾顯林. 基于數字影像技術的高中化學實驗觀察與辨識——以鈉與水反應為例[J]. 中國現代教育裝備， 2019， （22）： 42～45.

[6]佚名. 鈉和鉀遇水爆炸的真相[J]. 上海化工， 2015， 40（4）： 40.

[12]佚名. 也談鈉與水反應中的三種現象[J]. 化學教學， 1990， （6）： 41～43.

[13]于淑兒， 范彬彬， 單來君， 周千紅. 對高中化學新教材中鈉與水反應實驗安全問題的再思考[J]. 化學教學， 2003， （6）： 47.2578C410-6FB7-4684-BC2F-344162CFBBE4