鈉與水反應的實驗創新設計

陳俊嫻 邱雨芳 劉鑫 劉曉玲 賈玉帥

摘要：“鈉與水的反應”是高中化學重要的演示實驗，教育功能突出。但教材實驗中存在著反應速率過快、氣體未經檢驗直接排放和存在安全隱患等缺點。因此，人們對該實驗裝置進行了改進，方案可分為：減緩速率型裝置、微型化裝置、趣味化裝置和聯通型裝置四種類型。基于對各類裝置的分析，采用聯通型裝置進行實驗，創新性使用學生們童年回憶——泡泡膠來檢驗氣體。改進后的裝置具有簡單、靈活、實驗現象明顯、安全性和環保性高、趣味性強等優點。

關鍵詞：鈉與水反應；實驗改進；趣味化

文章編號：1008-0546（2023）12-0095-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.021

一、問題的提出

“鈉與水的反應”屬于高中必修階段中“元素及其化合物”的知識內容，是高中化學中的重要演示實驗。學生能基于該實驗的現象和微觀變化，推理出鈉的相關性質和反應原理，在完成知識建構的同時培養學科思維，發展化學學科核心素養。人教版、蘇教版、魯科版三個版本教材均采用簡易的方式呈現鈉與水反應的實驗，即向一只盛有水的小燒杯（或培養皿）中滴加幾滴酚酞溶液，然后投入綠豆粒大小的金屬鈉（吸干煤油，并切去鈉的表層）。

雖然教材裝置與操作非常簡單、現象明顯、成功率高，但仍存在以下問題：（1）金屬鈉的性質活潑，與水反應劇烈，容易造成液體飛濺，存在安全隱患；（2）實驗過程中用水量較大，反應的熱量變化不易被察覺；（3）氣體未經檢驗和處理，直接排放，不利于培養學生的綠色環保意識。

針對教材實驗的不足，人們進行了多方面的改進：（1）增加氣體收集與檢驗裝置。采用密閉裝置代替敞口裝置進行集氣，利用氫氣的化學性質通過爆鳴法（將氣體通入肥皂水，點燃肥皂泡）或燃燒法進行檢驗。（2）改進實驗發生裝置。根據改進目的和儀器的選擇，可將改進方案分為減緩速率型裝置、微型化裝置、趣味化裝置和連通型裝置四種類型，并對教材實驗及各類型裝置在反應速率、實驗現象、安全性、趣味性、環保性等方面進行了具體分析，見表1。

筆者認為“鈉與水反應速率快”是金屬鈉還原性強的表現，可以不作減緩反應速率的處理，使用密閉裝置，防止液體濺出，增強安全性。微型化裝置簡單、環保性強，值得借鑒，但由于試管、U 型管等儀器口徑較小，金屬鈉游動范圍小，現象不易觀察且安全性較低。筆者選用50 mL 的錐形瓶作為反應儀器，其底部較寬，能夠彌補上述不足。我們知道，聯通型裝置具備了實驗現象明顯、安全性高、趣味性強、環保性強的優點，因此，筆者設計了發生反應及收集氣體一體化的聯通密閉裝置（如圖1（a）所示）。由于氫氣是一種易燃易爆的氣體，直接點燃或用爆鳴法檢驗存在一定危險。因而可在反應后用注射器抽取密閉裝置中的氫氣，再進行點燃，增加安全性（如圖1（b）所示）；同時，氫氣是為數不多的、密度比空氣小的無色無味氣體，筆者使用童年玩具泡泡膠存儲氣體，采用“密度比較”的物理方法檢驗氣體，兼顧了安全性和趣味性（如圖1（c）所示）。

二、實驗改進方案

1.實驗原理

鈉與水反應生成氫氧化鈉和氫氣：2Na+2H2O=2NaOH+H2↑

2.實驗儀器及藥品

（1）實驗儀器：錐形瓶（50 mL）、燒杯（50 mL，2只）、導管、橡膠管、注射器（10 mL）、橡膠塞、水槽、鑷子、濾紙、表面皿、小刀、酒精燈、鐵絲、泡泡膠。

（2）實驗藥品：水、綠豆大小的金屬鈉、酚酞指示劑

（3）實驗裝置：如圖1所示。

3.實驗步驟

（1）反應過程

①取鈉，用鑷子夾取一小塊鈉，放在濾紙上吸干其表面的煤油，在表面皿上用小刀切去表面的氧化層，再切取綠豆大小的鈉塊，將鈉塊固定在鐵絲上。

②將鐵絲（固定有鈉塊）、導氣管、注射器（內裝有約1 mL蒸餾水）安裝在橡膠塞上待用（如圖2和圖3所示），向錐形瓶中加蒸餾水至離瓶口2 cm處待用（使裝上橡皮塞后，鈉塊底部不與水接觸且盡量減少錐形瓶中的空氣），向燒杯中加20 mL蒸餾水待用。

③檢驗裝置氣密性：將橡膠塞塞進錐形瓶瓶口（此時鈉與水不接觸），推動注射器桿芯，使注射器中的水完全進入錐形瓶。若錐形瓶內的水沿導管流入燒杯，且錐形瓶內水位不發生變化，則說明該裝置的氣密性良好。（可涂抹凡士林以確保裝置氣密性良好）

④推動鐵絲，使金屬鈉與水接觸發生反應，觀察實驗現象。

⑤反應結束后，觸摸錐形瓶外壁，感知溫度變化。

（2）檢驗過程

①向燒杯中滴加1-2滴酚酞溶液。

②點燃法檢驗：用注射器抽取瓶中的氣體，用燃著的酒精燈點燃注射器針口處，小心推動注射器，并在注射器上方罩一干冷燒杯（如圖1（b）），觀察現象。

③趣味化檢驗：用注射器抽取瓶中的氣體，在針口涂上泡泡膠，將注射器中的氣體全推進泡泡膠中，取下后小心處理去除氣泡外多余泡泡膠（如圖1（c））。

4.實驗現象

（1）反應過程：如圖4所示。

①鈉迅速融化成小球并從鐵絲上掉落；水面及金屬鈉表面迅速產生氣泡。

②金屬鈉浮在水面上游動，發出嘶嘶響聲，最終消失。

③水從錐形瓶流入燒杯，錐形瓶內水位降低。

④錐形瓶外壁發熱。

（2）檢驗過程

①燒杯中液體變紅（如圖5所示）。

②點燃法檢驗：抽取氣體時，液體從燒杯回流至錐形瓶中；點燃氣體，注射器針口處產生火焰，燒杯內壁出現一層白霧（如圖6所示）。

③趣味化檢驗：泡泡膠在空氣中迅速上升，最終停留在空中（如圖7所示）。

三、實驗改進后的優勢

1.實驗裝置簡單、現象明顯，大幅度提高安全性和環保性。改進后實驗采用密閉裝置，保留了教材實驗的原有現象和優點，并能在防止液體飛濺的同時收集生成的氣體；實驗采用50 mL 的錐形瓶，使用試劑用量少，且能夠保證實驗現象明顯，同時避免了微型化裝置的危險，能夠在實驗過程中培養學生的安全意識和環保意識。

2.實驗裝置靈活，便于實際教學。實驗改進的目的是更好地服務課堂教學，改進后的實驗裝置可根據教學與實驗演示的實際需要，將反應的發生與氣體的檢驗分步進行，留給教師更多的教學空間，更加靈活，實用性強。

3.增加課堂的趣味性和開放性。點燃法和爆鳴法是常見檢驗氫氣的方法，“氫氣密度小于空氣密度”這一物理性質，為檢驗氣體提供了新的思路，有利于培養學生的開放性思維。使用泡泡膠存放氣體，也增加了實驗的趣味性。

參考文獻

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