钠与水反应的改进实验综述及新设计

2018-02-27刘玉荣王阳

化学教学 2018年12期

刘玉荣王阳

摘要：对近四十年来钠与水反应的实验进行文献综述，依据实验装置的相似性对经典的改进装置进行归类分析。共分四类，前三类实质是由反应端和贮水端两部分组成的连通装置，方便教学演示;第四类是集收集检验于一体的注射器改进，适合学生实验。为了方便学生实验，聚焦分析注射器的改进案例，简化钠与水的接触方式，设计出更优的实验方案，更好地发挥实验在教学中的作用。

关键词：钠与水反应; 实验综述; 注射器; 实验创新设计

文章编号： 10056629（2018）12007506中图分类号： G633.8文献标识码： B

钠与水反应的实验是高中探究金属钠物理化学性质的经典实验，为了获取更全面的实验信息，教育工作者们自20世纪70年代至今一直延续着对该实验的改进与完善，设计了符合教学需要的各式装置。然而多数改进因装置复杂或仪器需特制等原因仅适合教师演示，能让学生动手操作的很少，而学生的直接参与更有利于钠性质的探究。本文整理分析了已有的钠与水反应的创新装置，简化钠与水的接触方式，设计出适合学生实验的新方案。

1 钠与水反应的实验综述

现行的苏教版[1]、人教版[2]、鲁科版[3]教材均采用向培养皿（或烧杯）中加适量水，滴入1～2滴酚酞溶液，将切好的钠投入到水中观察现象的实验方案，其中人教版在实验步骤旁添加提示栏目“注意钠与溶液的变化，有没有气体产生，反应是否放出热量”来帮助学生聚焦钠与水反应的实验观察点。该方案操作简单，钠块的游动轨迹、形状变化以及水变红的现象十分明显，但是单从钠块四处游动并伴有嘶嘶声难以直观地推测有气体产生，并证明该气体就是氢气。以往教材也设计有收集检验气体的方案，但因存在安全隐患、操作有难度等原因被现行方案所替代。因此，不少教育工作者在实际教学中依据教学环境、教学需要等原因设计出各式各样的改进装置。

以“钠与水反应实验”为主题在知网上进行检索，自1979年至今一直延续着对该实验的讨论，发表文献共197篇，其中有17篇围绕钠的用量、实验安全、酚酞何时加入等问题展开讨论，其余180篇均是实验装置的改进，在围绕仪器的改造及连接方式、实际操作的难易、钠块游动轨迹是否便于观察、收集氢气的纯度、检验效果是否明显等五个方面进行装置改进，以此提高实验的安全性和成功率。

其中发表在《化学教育》和《化学教学》的文章共40篇，有关装置改进的34篇，筛选整理两期刊中的典型案例，依据实验装置的相似性将其分为四类。第一类装置的原型是《高级中学·化学》[4]中的实验方案，如图1所示，用镊子将铝箔包裹的钠块送到盛满水的试管口，待反应结束用爆鸣法检验收集的气体。该方案由于操作有难度，收集气体纯度低，难以分辨气体来源，检验气体存在安全隐患等不足，出现了如表1中所示的装置改进。这类改进装置的反应容器均需上下开口的容器如硬质玻璃管、球型干燥管、分液漏斗、去底的广口瓶等，方便裸露在空气的一端直接连接尖嘴管或注射器进行气体的检验，产生气体排出的水则从另一端被压入外围的烧杯中。

第二类装置用集气瓶作反应容器，用漏斗作为加水和排水的通道，还可与喷泉实验结合增加现象的趣味性。第三类装置采用U型管或组装的连通器，整个装置分为反应端和贮水端两部分，贮水端需加长或与漏斗连接。第四类装置用注射器作反应容器，通过活塞的移动实现气体的收集与检验。

前三类实验装置实质均属一个连通装置，装置可分反应端与贮水端，当气体生成时气体将反应端的水压入贮水端，当气体检验时随着气体的消耗贮水端的水位下降，同时贮水端的水又会将气体压出且没有残留。通过上述的分析，钠与水反应的实验在改进时装置需满足的条件有： ①密封性良好的反应容器;②气体生成时用来疏通反应容器中水位变化的通道;③检验气体用的尖嘴玻管或针头。另外实验还需考虑安全问题，用点燃法检验氢气有爆炸的危险，故必须保证点燃前装置中没有空气或极少量的空气，又因为在气体收集前还需将钠与水隔开，因而钠与水的接触方式成为改进成功的关键因素，表2详细列出可供参考的钠与水隔开的方法。

2 钠与水反应的新设计

2.1 注射器改进实验分析

在教学条件允许的情况下，以上改进装置需要经过特制、改造和专门组装后才能投入日常教学的使用，并且大多数装置只能用作教师演示实验，难以实现学生分组实验。第四类注射器的改进实验因材料来源方便、装置密封性良好、收集检验一体化等优点适合学生动手实践。现有注射器的改进案例共四例，具体的实验装置图、操作方法、创新点以及不足详见表3。

对比上表中各实验的优缺点，可以得出进一步改进此类实验的几点思路：第一，钠与水接触方式的简便性是实验易操作、成功率高的关键因素，故应减少辅助材料的使用;第二，注射器的内筒空间小，钠块用量少，反应剧烈程度在可控范围内，另为了保证钠与水的充分接触，故不需要在吸水前吸入煤油;第三，在胶塞密封针头前，为了防止吸水过程中钠与水反应产生的气体气流将液体从针头呛出，应将针头朝上从另一个容器中吸水;第四，为了收集全部的气体，在用橡胶塞密封注射器针头前应将钠与水隔开。

2.2 实验新设计与创新点

基于以上实验的分析和对金属钠性质的研究，经过反复的尝试與改进，设计出用注射器作为实验装置方便学生操作并成功率高的新方案，详见图2。

实验用品：钠、酚酞溶液、蒸馏水、带针头的30mL注射器（1支），带软塞的塑料输液瓶（1个），橡胶塞（1个）、酒精灯

实验操作：

（1）拔下活塞芯杆，将3/4绿豆大小的钠块放入注射器针筒前端出水口边上的位置，按上活塞芯杆用力推压，直至推不动为止，反复抽出推进，保证将钠块粘附在注射器前端偏离小孔的位置，见图2①。往回拉活塞1mL，预留1mL的空气。

（2）将注射器针头倾斜向上，从盛有水（滴入几滴酚酞溶液）的输液瓶中缓缓吸水6mL，注意调整注射器倾斜的角度防止钠与水接触，见图2②。

（3）保持注射器倾斜角度不变，用橡胶塞密封注射器的针头，见图2③。倒转，针头朝下，水与钠接触开始反应，钠上浮到水面，可以观察到钠熔成小球，活塞不断向上移动至21mL的刻度处，见图2④。

（4）反應停止后拔掉橡胶塞将注射器针头斜向上，靠近酒精灯的火焰，匀速缓慢推动活塞芯杆，点燃气体，可以看到氢气安静地燃烧，见图2⑤。

创新点：

（1）利用金属钠很软的物理性质，将钠块粘附在注射器针筒内壁的前端，在钠与水接触反应前只需预留1mL空气将钠与水隔开，无需借助胶囊、滤纸等辅助材料包裹钠块，保证了钠与水接触的简洁性。

（2）钠的用量较少，注射器空间小，钠上浮后在水面四处游动的现象十分明显。

（3）实验操作简单，减少了实验过程中因借助辅助仪器材料等引起的不可控因素，保证反复操作的成功率。

注意事项：

（1）实验用30mL的注射器，钠块应控制在1/2～4/5绿豆大小，水的吸入量控制在5～6mL，防止钠块用量过大，生成的气体超出注射器的量程，气体将注射器活塞弹出。

（2）实验操作第（3）步钠块与水接触上浮至水面游动的过程中，钠块会迸溅到注射器针筒的内壁上，需及时晃动注射器避免钠与内筒的粘附，防止钠与水反应放出的热量将塑料注射器内筒烧熔后钠块从注射器中弹射出发生危险。

3 小结

在高中阶段钠与水反应的实验是研究钠性质的重要实验，本文依据实验装置的相似性对已有的改进归类分析，认为钠与水隔开的方法是改进实验成功的关键。其中注射器的改进实验因材料来源方便、装置密封性良好、反应收集检验一体化等优点作为学生的分组实验无疑是不错的选择。目前教材中的实验虽未设计气体的收集与检验，但实验现象直观清晰，起着不可替代的作用。所以在实际教学中，可以把课本实验作为教师的演示实验，顺势提出问题，引导学生分析生成气体的成分并设计实验证明，在学生充分讨论的基础上，用以上新设计的实验收集并检验气体。这样学生不仅能根据实验现象得出钠与水反应的气体产物，而且体验了科学探究的过程，深化了“通过实验收集证据——根据证据进行合理推理——得出结论”的化学思维方式。

参考文献：

[1]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， 2004： 49.

[2]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）[M].北京：人民教育出版社， 2004： 41～42.

[3]王磊主编.普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）[M].济南：山东科学技术出版社， 2004： 9.

[4]人民教育出版社化学室编.高级中学课本·化学（必修，第一册）（第2版）[M].北京：人民教育出版社， 1995： 100～101.

[5]胡筱婷.金属钠跟水反应的实验改进[J].化学教育， 1986，（5）： 36～37.

[6]陈裕祥.钠跟水反应实验的改进[J].化学教育， 1988，（2）： 34.

[7]郑炳耀.钠与水反应微型实验器的制作[J].化学教学， 1998，（8）： 16.

[8]钱海滨.钠跟水反应的演示实验（二）[J].化学教育， 1984，（6）： 47.

[9]齐俊林.钠跟水反应实验的新方法[J].化学教学， 1993，（3）： 24～25.

[10]徐小健.金属钠性质探究实验的创新改进[J].化学教学， 2017，（2）： 66～68.

[11]尚广斗.钠与水反应演示实验的创新设计[J].化学教学， 2010，（6）： 17～18.