鉀和水反應實驗的創新設計

江蘇省南通市海門區包場初級中學(226151) 江曉棟

1 問題的提出

現行的人教版高中化學教材必修1中關于鉀和水反應實驗,具體做法是把一些水放入燒杯內,再放入一塊用濾紙吸干表面煤油的綠豆大小的鉀,觀察實驗現象。待反應結束后,向燒杯中滴幾滴酚酞溶液,觀察實驗現象。教材中對于該實驗的現象是這樣解釋的:“K和H2O反應比Na和H2O更加劇烈,產生的熱量能使H2燃燒,同時伴有輕微的爆炸聲,說明K比Na金屬性更強。”但有學生在觀察完該實驗后提出不同見解,他們認為:“K和H2O反應時,不一定是生成的H2在H2O的表面燃燒,也有可能是K和H2O反應時放熱使K達到了著火點,是K本身在燃燒。”事實果真如此嗎?帶著疑惑,筆者對該實驗進行了實證探索。

2 分析現狀

筆者查閱了大量文獻,發現關于K和H2O反應實驗的學術論文并不多,而且這些論文提出的見解或多或少都存在一些問題。筆者按照齊俊林教師的實驗方法進行實驗時[1],發現K和H2O反應的瞬間,裝置中的氣球極易被燙壞造成實驗失敗;顧斌教師的實驗方法[2]雖然有可能控制K和H2O反應產生的H2燃燒,但是很難得到純凈的H2,更談不上檢驗H2。筆者認為,截至目前,一直沒有解決通過實驗加以收集檢驗K和H2O反應生成的H2的問題。基于此,有必要對實驗做出進一步改進。筆者選用日常生活常見物品,對其進行巧妙的加工和處理,設計了簡單、合理的創新實驗裝置,實驗效果佳。

3 設計思想

現行的高中化學教材中關于K和H2O反應實驗的設計有其所長,但沒有證明產生H2,也沒有證明是K和H2O反應產生的H2在燃燒,還是金屬K熔化之后在燃燒。為此,筆者新設計的實驗必須能說明2個問題:①K能和H2O反應,但其本身不燃燒;②K和H2O反應能夠產生KOH和H2,產生的KOH用無色酚酞溶液來檢驗,產生的H2可以通過對其點燃來檢驗。所以,可以把實驗分兩步進行,先是K和H2O反應,然后是檢驗H2。

4 設計實驗方案

根據實驗設計思想,要確保K和H2O反應產生H2但不燃燒,必須使K和H2O在隔絕氧氣的條件下反應,此外,產生的H2還可以通過實驗來驗證。由于K和H2O反應還會放熱,且有H2產生,密閉環境中壓強會發生改變,這就要求反應容器必須滿足2個條件:①整個反應體系必須是密閉的;②可以自動調節反應容器內的壓強。利用注射器的活塞可以來回移動可使反應容器(注射器)的內外壓強保持平衡;兩通玻璃管耐高溫且透明可以確保實驗裝置的堅固性和可視性;橡皮塞可以使反應容器不漏氣。通過對上述用品的處理和組裝可以很好地達到實驗裝置既密閉又可以自動調整壓強。

5 實驗原理

(1)K和H2O反應:2H2O+2K=H2↑+2KOH

(3)酚酞溶液變色:KOH溶液使酚酞溶液變紅。

6 實驗過程

6.1 實驗用品

洗衣液、酚酞溶液、蒸餾水、金屬鉀、打孔器、1支膠頭滴管、1根玻璃棒、1個蒸發皿、1把小刀、1塊玻璃片、1盒火柴、1盞酒精燈、3根大號注射器針頭、2個3號橡皮塞、1根兩通玻璃管(φ2 cm×12 cm)、2支注射器(50 mL)等。

6.2 加工和組裝儀器

(1)用打孔器在1個3號橡皮塞的小頭端打一個直徑4 mm、深度4 mm的凹形小孔洞,把1根大號注射器針頭從橡皮塞的大頭端插入,使針尖的下端穿出后剛好與橡皮塞的小頭端凹形小孔洞在同一平面內,如圖1所示。

圖1 打孔、穿出示意圖

(2)用小刀切一塊綠豆大小的K,將其放入橡皮塞的凹形小孔洞內(使K充滿整個孔洞,排盡孔洞內空氣),讓注射器的針尖穿過K并把針孔露出來,如圖2所示。

圖2 鉀裝入孔洞內示意圖

(3)把1個3號橡皮塞塞在1根兩通玻璃管的下口處,從橡皮塞的大頭端中央穿入另一根大號注射器針頭;把吸滿滴有酚酞試液的蒸餾水的注射器與該針頭連接好。緩緩推動注射器活塞,讓少許酚酞與蒸餾水的混合液流入兩通玻璃管內;向兩通玻璃管內用膠頭滴管滴入酚酞與蒸餾水混合液至距離管口約3 cm處。再把兩通玻璃管的上口處塞上帶有K的橡皮塞,如圖3所示。

圖3 連接好的裝置

6.3 實驗操作與現象

(1)K和H2O反應:如圖4所示,組裝好儀器后,用力推注射器1的活塞,讓酚酞和蒸餾水的混合液充滿兩通玻璃管,把空氣排盡,待液體與孔洞里的K接觸時,反應立即發生:2H2O+2K=H2↑+2KOH,發現K熔化成一個小球從孔洞中掉落下來漂浮在水面上,無聲的快速移動,溶液變成紅色(此時,用手緊握注射器活塞不動),說明K和H2O反應產生KOH。待生成的氣體排盡兩通玻璃管里的空氣時,立刻連接注射器2與兩通玻璃管上口膠塞,此時反應仍在發生,生成的氣體被密封在注射器2與兩通玻璃管內。

圖4 K和H2O反應

(2)檢驗氣體:上提注射器2的活塞或上推注射器1的活塞,使產生的氣體全部排入注射器2的注射管內。

(3)用量筒量取20 mL蒸餾水,并將其倒入蒸發皿內,再量取5 mL洗衣液(用作發泡劑),將其倒入蒸發皿內,用玻璃棒攪拌,使其混合均勻。

注:A是注射器2;B是兩通玻璃管;C和D是酚酞與蒸餾水混合液;E是注射器1。

綜合上述實驗可知,在隔絕空氣條件下,K和H2O反應時,看不到K表面燃燒的現象,也聽不到輕微的爆鳴聲。K和H2O反應時由于能收集到純凈的H2,點燃H2才有爆鳴聲。所以說教材上所描述的現象與事實相符,的確是K表面產生的H2達到著火點之后被引燃而發生燃燒的。

7 實驗優點

(1)利用橡皮塞、兩通玻璃管、注射器等制作而成的實驗裝置,材料易得、操作簡便、實驗現象也很明顯。

(2)填補了教材實驗的空白,可以證明K和H2O反應生成了KOH和H2。

(3)該實驗裝置還可用于Na和H2O反應以及Na和酒精的反應。

(4)解決了教學中遇到的疑難問題,而且還能利用點燃在空氣中漂浮的氣泡的方法,確認K和H2O反應生成的氣體就是H2,激發學生的學習興趣。