楊香菊 吳國權

摘要： 鈉與水反應及鋁熱反應的實驗是高中化學的經典演示實驗，教學實踐中發現教科書中這兩個演示實驗的設計有值得商榷之處。通過對各類教材、文獻中介紹的方法進行比較，對現有的實驗方案作了再改進。改進后的實驗操作簡便安全，現象清晰可見，減少了白煙污染，避免了強光干擾，體驗到光和熱的震撼場面，激發了學生對化學的好奇和興趣。

關鍵詞： 鈉與水反應； 鋁熱反應； 演示實驗； 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2023）04-0077-03

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

1.1? 關于鈉與水反應實驗

鈉與水反應的實驗是中學化學經典實驗之一，縱觀人教版各種版本及現行普通高中三個版本教科書［1～3］中該演示實驗的操作方法，發現都有改進的空間。早些時候的人教版教科書中使用鋁箔包著鈉再戳幾個洞用鑷子夾持在水下，用排水法收集反應產生的氣體［4］。但用此法來證明收集的氫氣是鈉與水反應產生的并不嚴謹：因為氫氧化鈉溶解氧化鋁保護膜并與鋁反應也可產生氫氣。

現行普通高中三個版本教科書中均有鈉與水的反應實驗，均采用向培養皿（或燒杯）中加適量水，滴入1～2滴酚酞溶液，將切好的鈉投入到水中觀察現象的實驗方案。實驗中可以觀察到一些基本現象，但是對于實驗反應產生的氣體是氫氣這個結論卻并未加以嚴密驗證。當然教師可以引導學生從氧化還原的角度分析，既然鈉失去電子生成氫氧化鈉，則必然是氫元素得到電子生成氫氣，這種從理論上引導學生理解反應產物，肯定不如利用化學實驗進行驗證。

針對上述問題，許多教師提出了自己的改進方案［5～8］。他們總計提出了約16種方案，這些方案的主要特征基本上可概括為：（1）利用了注射器；（2）利用啟普發生器的原理兩類（如圖1、圖2、圖3等）。

其中畢曉昀、張會清老師利用礦泉水瓶子、橡皮塞和大頭針的方法比較獨特，能夠快速地檢驗反應產生的氫氣（如圖4）。

但是，現有的所有改進方案在簡約性方面或現象的全面性方面仍有一定缺陷。筆者設計的金屬鈉演示實驗的方法與眾不同，符合實驗設計的科學性、安全性、可行性、簡約性的基本要求。亮點是其簡約性特別明顯，所有想要的反應現象都能充分快捷地展現（包括氫氣的驗證），且具有趣味性。

1.2? 關于鋁熱反應實驗

對于鋁熱反應的引燃、反應現象的更完美展現、消除空氣污染等問題，已有許多老師提出了解決方案［9］，但有些方案在實際操作中常常不成功或不理想，原因是高溫下容易產生大量的白煙干擾現象，且有些反應結論還有不嚴謹之嫌。為此筆者做了改進，現分別介紹如下。

2? 實驗改進設計

2.1? 金屬鈉與水反應實驗

2Na+2H2O2NaOH+H2↑

2.1.1? 實驗用品

25mm×200mm的大試管、鐵架臺、鑷子1把、小刀、長竹簽、火柴（打火機）各1個，濾紙2片、蒸餾水（自來水）、約3粒綠豆大小的金屬鈉塊、酚酞試劑

2.1.2? 實驗裝置

裝置如圖5所示。

2.1.3? 操作步驟及說明

大試管中加入約1/4高度的水，滴入酚酞2滴。取一小塊鈉用濾紙吸干其表面的煤油后立即投入試管中，管口蓋上濾紙。視鈉塊所剩很少時，取下濾紙并迅速用燃著的竹簽放在試管口，這時除了鈉熔化成小球在水面快速運動發出絲絲響聲和水變紅外，還會看到，有火焰由上而下生成，并伴著尖銳的口哨聲沖出試管。剎那間，學生的歡呼聲和掌聲也響成一片。

為了全體學生都能看清楚演示，可在做實驗時用平板電腦直播投屏到大屏上。如果有條件可用高速攝影拍下點燃時火焰爆燃的情形。

2.1.4? 實驗改進的優點

該演示實驗所需用品極少，裝置也極其簡單，操作簡便安全，過程一氣呵成。所有的現象都清晰可見，彌補了教科書上該演示實驗設計的不足，且實驗現象震撼、神奇。演示用時很少（1～2分鐘），節省了課堂時間。由于大試管是敞開體系，鈉的用量極小，反應產生的氫氣量不大，爆鳴無危險。而且還可利用該實驗現象讓學生延伸理解為何加油站要防火，結合實驗現象對學生進行安全教育。

2.2? 鋁熱反應實驗

Fe2O3+2Al高溫2Fe+Al2O3

2.2.1? 實驗用品

500mL的燒杯1只（杯底鋪好一小層砂）、鐵架臺、25mm×200mm的大試管（底部打個小孔）1只、濾紙1片、干燥的氧化鐵粉、鋁粉、研缽、藥匙2只、開塞露1只、磁鐵1個、高錳酸鉀

2.2.2? 實驗裝置

實驗裝置如圖6所示。

2.2.3? 操作步驟及說明

500mL燒杯中加入2/3高度的水，底部鋪一小層砂防止燒杯被產物砸破。為防止反應時上噴過高、噴射面積過大不安全，以及防止表面過大易散熱不宜引燃等的缺陷，將反應裝置改為底部打一小孔的大試管（底部打孔是為了降低火焰向上噴射的高度），其中嵌入折疊成過濾時所用的濾紙，用手指按住使濾紙保持中空。試管豎直放置在燒杯正上方，其底部與燒杯上沿平齊。取3藥匙干燥的氧化鐵粉末和1藥匙的鋁粉混勻后加入試管里的濾紙凹槽中，再在鋁熱劑上加1藥匙的高錳酸鉀。最后再往高錳酸鉀不同部位快速滴8～10滴開塞露的液滴（實驗探究發現，若用純甘油滴入高錳酸鉀時由于其流動性差很難引發反應）。稍后約20秒左右，會看到鋁熱反應劇烈發生。向上有紫色的火焰噴射（伴有白煙），向下有一團小火球由試管底部小孔滴落進入燒杯里的水中，并伴著較大的響聲在水下竄動，其紅熱狀態保持約10秒左右，場面讓觀看者震撼，驚叫聲四起。1分鐘后用磁鐵伸進燒杯中可吸出約有3粒黃豆大小的外表銀白色的小球。建議在實驗室做該實驗時要離人群3米以上距離。

2.2.4? 改進實驗的優點

操作簡便安全，學生可清晰地觀察到明顯且震撼的反應現象。看到冒著火球的鐵水由試管上部滴落墜入燒杯底部的過程。由于有水和砂層的保護以及冷卻作用不僅防止了高溫下的產物液態鐵被氧化，而且可使反應產生的銀白色的小鐵球清晰可見（由磁鐵吸出），彌補了以往演示實驗的不足。由于棄用了沸點較低的鎂，不僅避免了氧化鎂的白煙污染，而且不會有鎂燃燒所發出強光的干擾，使學生更能看清楚鋁熱反應本真的反應現象，體驗到甘油與高錳酸鉀相遇引發的光和熱的震撼場面，感受到氧化還原反應的神奇。

該鋁熱反應實驗

很好地說明了鋁粉與氧化鐵反應生成了鐵，排除了鎂粉與氧化鐵發生反應的嫌疑。

對教科書中某些實驗進行優化和改進，培養了學生科學探究與創新意識，把抽象的反應的化學方程式變成了鮮活的現實場景，激發了學生對化學的好奇和興趣。

參考文獻：

［1］王祖浩主編. 普通高中教科書·化學第一冊（必修）［M］. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2020： 68.

［2］王晶， 畢華林主編. 普通高中教科書·化學必修第一冊（第1版）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 36.

［3］王磊主編. 普通高中教科書·化學必修第一冊［M］. 濟南： 山東科學技術出版社， 2019： 10.

［4］人民教育出版社化學室編著.高級中學課本（甲種本）·化學第一冊（第1版）［M］. 北京： 人民教育出版社化學室， 1983： 82.

［5］林秀麗. 鈉與水反應實驗的新設計［J］. 化學教學， 2022， （5）： 75～77.

［6］畢曉昀， 張會清. 鈉與水反應實驗裝置的改進［J］. 化學教學， 2020， （6）： 68～71.

［7］李朝章， 何文慧， 張振述. “金屬鈉與乙醇（水）反應”實驗再改進［J］. 實驗教學與儀器， 2019， （3）： 27～28.

［8］吳國權. 化學新教材（人教版）中三個演示實驗在教學中的困惑及對策［J］. 化學教學， 2009， （12）： 10～13.

［9］汪愛華. 鋁熱反應實驗的改進探析［J］. 高中數理化， 2019， （4）： 77.