钠与二氧化碳燃烧反应趣味实验设计

熊健+李伟+白志勇+周勇

摘要：以钠作实验材料，设计了不同条件下与二氧化碳气体发生燃烧反应的趣味实验，出现了不同的实验现象，并对燃烧后的产物进行了简单分析。通过对比实验表明，钠与二氧化碳气体发生燃烧现象的原因，发现二氧化碳的量对燃烧后的产物并无明显影响。实验操作简单、现象明显，实验效果令人满意。

关键词：钠；二氧化碳；燃烧现象；实验设计；对比实验

文章编号：1005–6629（2017）4–0074–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

金屬钠的燃烧实验在不同教材中都有所涉及[1，2]，是中学化学实验的重要组成部分，但实验主要研究的方向集中在钠与空气、氧气发生燃烧反应[3]，对于钠与二氧化碳是否发生燃烧反应、反应条件、燃烧的现象以及反应后的产物是什么，在中学教材中并未作介绍、说明，与之相关的文献报道也较少，而恰恰这些疑问点会激起学生的学习兴趣。同时与其有相似性质的金属镁与二氧化碳的燃烧反应常常作为课堂的演示实验以及在不同的化学测试题中作为考点出现而被学生所熟知，有学生提出对于金属性更强的钠能否有同样现象发生？于此，笔者和学生结合杨海丽老师的“钠与二氧化碳反应的实验探究”[4]一文，进行了如下的课外实验，发现了不一样的实验现象。

1 实验部分

1.1 实验用品

器材：铁架台、分液漏斗、抽滤瓶（250mL）、硬质试管、酒精灯等

试剂：金属钠、氢氧化钙、无水碳酸钠、稀硫酸（1mol/L）、二次蒸馏水等

1.2 实验步骤

1.2.1 钠与干燥纯净的二氧化碳反应

（1）按装置图1组装仪器，抽滤瓶a中加入5%碳酸钠水溶液，分液漏斗中加入稀硫酸（1mol/L）。检测实验装置的气密性。将分液漏斗活塞打开，稀硫酸缓慢滴入碳酸钠溶液中，开始制备CO2气体。气体通过干燥剂氯化钙b，最后通入 d中澄清石灰水，一段时间后石灰水溶液变浑浊。

（2）将现切好的钠块（长约1cm、宽约0.2cm），用滤纸吸干表面煤油，迅速投入硬质试管c中。继续通入CO2气体，用酒精灯对试管底部持续均匀加热，钠块缓慢融化成小黑球，有少量的白烟产生，未出现燃烧现象。

（3）按装置图2组装仪器，并检查实验装置的气密性，用向上排空气法收集CO2气体于一集气瓶c中。在燃烧匙中将现切好的小钠块点燃，迅速置于集气瓶底部，继续通入CO2气体，加玻璃盖，火焰慢慢熄灭，未观察到燃烧现象。

通过以上两个实验表明，钠不管是在小空间的试管内，还是经点燃后置于空间稍大的集气瓶中只能与干燥纯净的CO2发生缓慢的化学反应，均观察不到燃烧现象，说明钠是否发生燃烧现象与CO2量的多少无关。鉴于此，我们对实验装置稍作改进后再做实验。

1.2.2 试管中钠与未经干燥处理的CO2气体的燃烧反应

（1）按装置图1组装仪器，将干燥剂氯化钙取出，并检查装置气密性，将分液漏斗的活塞打开，控制稀硫酸滴速约为每秒1滴，与容器中碳酸钠反应开始制备CO2气体。将气体通入配制好的澄清石灰水d处，一段时间后石灰水溶液变浑浊。

（2）将现切好的钠块（长约1cm、宽约0.2cm），用滤纸吸干表面煤油，迅速投入硬质试管c中，并塞紧橡胶塞，继续通入CO2，用酒精灯对试管底部均匀加热，钠块开始融化，约半分钟后有红黄色的火光产生并伴有白烟生成。约1分钟后，反应完成，燃烧现象明显，见图3（a）。

（3）反应结束后观察试管壁上有白色的附着物，将其用药匙刮下，投入装有少量蒸馏水的烧杯中能发出“嘶嘶”的响声，然后在该烧杯溶液中滴加一滴酚酞后，观察到溶液变红，推测试管壁的白色附着物可能是由于在燃烧的过程中钠气化附着在管壁形成。支管底部有黑色固体和白色固体产生，加入少量的稀硫酸后，可发现黑色固体不溶，而白色固体则很快溶解，并产生气体，能使澄清石灰水变浑浊，推测白色固体生成物主要成分为碳酸钠，黑色不溶固体为碳。发生的主要反应为：4Na+3CO2=2Na2CO3+C[4]。

1.2.3 集气瓶中钠与未经干燥处理的CO2气体的燃烧反应

（1）按装置图2组装仪器，将干燥剂氯化钙取出，并检查装置气密性，将分液漏斗活塞打开，控制液体滴速约为每秒1滴，稀硫酸逐滴加入到碳酸钠水溶液中，开始制备CO2气体，利用向上排空气法在集气瓶中收集满CO2气体。约2～3分钟后在燃烧匙中将钠块点燃，迅速置于集气瓶底部，继续通入CO2气体，加玻璃盖，钠块可继续燃烧，但燃烧反应的剧烈程度要比在空气中小。由于钠在空气中的燃烧反应速率过快，不易控制，故先将空燃烧匙在酒精灯上加热2～3分钟，迅速将其伸入集气瓶底部同时将现切好的钠块（长约为1cm、宽约为0.2cm）用滤纸吸干表面煤油后投到燃烧匙上，加玻璃盖，观察到钠块迅速融化，约2～3s钟后，出现黄红色的火光并伴有白烟，燃烧现象明显，见图3（b）。待反应结束后，观察到燃烧匙内有白色、黑色的固体混合物。将燃烧后的产物加入到小的硬质试管中，再加入适量的稀硫酸可发现黑色固体不溶，而白色固体则很快溶解，并产生气体，能使澄清石灰水变浑浊，推测白色固体生产物主要成分为碳酸钠，黑色不溶固体为碳。对反应后的产物进行初步的检测分析，发现与实验1.2.2中的结果一致，表明CO2量的多少对燃烧后产物无明显影响。

（2）按装置图2组装仪器，制备干燥纯净的CO2气体，并在c处用集气瓶收集满CO2气体，空燃烧匙用酒精灯加热2～3分钟，迅速将其伸入集气瓶底部，同时将现切好的钠块（长约为1cm、宽约为0.2cm）用滤纸吸干表面煤油后投到燃烧匙上，继续通入CO2气体，不加玻璃盖，钠块迅速融化有黄红色的火光并伴有白烟产生，燃烧现象明显，见图3（c）。燃烧反应完成后，观察燃烧匙内有淡黄色、白色、黑色的固体物质，其中淡黄色固体的量最少。此时单独将白色固体小心取出投入到蒸馏水中，有“滋滋”的响声，pH试纸检测水溶液呈碱性；淡黄色固体产物在空气中约经过半分钟后慢慢变为白色固体；将燃烧后的产物投入到硬质试管中，加入适量的稀硫酸，观察白色固体溶解，有气泡产生，通入澄清石灰水中，石灰水会变浑浊，而黑色固体不溶。推测淡黄色固体可能为Na2O2，可能是因为此时集气瓶未加玻璃盖而混入了少量的空气与钠反应的产物；白色固体可能为Na2CO3、Na2O的混合物需要实验进一步证实；黑色不溶于稀硫酸固体可能是该燃烧反应有单质碳的生成[5]。

2 小结与讨论

（1）Na与干燥纯净的CO2气体，用酒精灯加热时并不能发生燃烧反应，但会发生缓慢的化学变化，而当CO2气体中混有少量空气或水蒸气的时候能观察到燃烧现象，可能的原因是少量的水蒸气或者空气的O2与Na先反应放热，促使钠和CO2气体进一步发生燃烧反应，同时也说明Na若与干燥纯净的CO2发生燃烧现象，可能需要在更高温度下进行，但有待实验佐证。

（2）实验选用碳酸钠的水溶液与稀硫酸反应制备CO2气体，相对于直接利用碳酸钠固体制备，产生的气流更加稳定、均匀；在利用方案1进行实验时要注意防止倒吸，发生危险，提醒学生要先将导管移除水面后，再熄灭酒精灯。也可加防倒吸的装置，防患于未然。

（3）该实验仪器简单，燃烧现象明显，可作为课堂演示和学生自主探究，但需要教师正确引导学生，增加学生透过现象看本质的能力。通过这几组对比实验，发现了钠能够在CO2中燃烧的真正原因，同时通过实验告诉学生像钠一类的碱金属着火后绝不能用CO2灭火器进行灭火的道理。

参考文献：

[1]人民教育出版社化学室.全日制普通高级中学教科书·化学（第一册）[M].北京：人民教育出版社，2003：29.

[2]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）[M].南京：江苏教育出版社，2006：49.

[3]谭宗俊，王超文.钠在空气中燃烧生成淡黄色过氧化钠的最佳操作[J].化学教育，2010，（2）：35.

[4][5]杨海丽.钠与二氧化碳反应的实验探究[J].化学教学，2011，（9）：49～50.