由一道试题看金属钠与冰醋酸及水反应现象的反常

耿 磊

(吉林省长春市东北师范大学附属中学 130021)

一、试题再现

醋中含有乙酸，工业上可用乙烯经过一系列转化合成乙酸，下列判断正确的是( ).

A．乙烯合成乙酸过程中涉及取代反应和氧化反应

B．向无水乙醇、冰醋酸、水中分别加入钠，冰醋酸产生H2的速度最快

C．除去乙醇中的乙酸杂质，可先加入CaO固体，然后蒸馏

D．乙醇与钠反应可以产生氢气，所以乙醇显酸性

答案：C

试题中B选项的出现，在学校化学教师中出现了很大的争议，相当一部分教师认为B选项是正确的.因为羧基羟基氢的活泼性﹥水中羟基氢﹥醇中羟基氢这个结论已经根深蒂固.起初笔者也有点拿捏不准，因此想到用实验进行验证，这是一个非常简单的试管实验，而且操作也比较方便！

二、实验验证

各取5mL冰醋酸和蒸馏水于两只试管中，分别加入两块相同大小的金属钠，观察现象.

实验发现金属钠和水的反应速率比与冰醋酸反应快很多.实验结果证明上述试题的B选项是错误的，金属钠与水反应更快一些.那为什么会是这样的一种结果呢？冰醋酸和水一样也存在自偶电离，体系中也是存在醋酸合氢离子的，难道是醋酸合氢离子的浓度小？笔者带着这些问题查阅了相关资料.

三、理论分析

理论上分析由于乙酸呈弱酸性，水呈中性，所以金属钠与其反应，应该是乙酸更快.可实际实验事实是金属钠与水反应更快.笔者提出如下几点原因猜想，以求教于同仁.

1.从自偶电离常数(Ks)角度

来自捷克和德国的研究人员将钠-钾合金的液滴投入水中，并利用高速摄像机观察反应过程的最新研究发现，钠-钾合金液体进入水中后仅仅约0.4ms，液滴就分散成大量针尖一样的小液滴，而周围的水则变成蓝紫色.在观察的基础上，他们又利用计算化学方法对这一过程进行进一步分析.结果表明，当碱金属与水接触后，碱金属迅速转移电子到水中，形成溶剂化的电子(水合电子).“水合电子”中的正一价氢进一步得电子转化为氢原子，氢原子再相互作用生成氢气.基于上述金属钠与水的反应机理猜测钠与冰醋酸反应的机理应该与此类似，因此笔者想到乙酸中羧基氢与水中羟基氢的活性及溶剂合氢离子的浓度对反应速率的影响，而溶剂合氢离子的浓度取决于溶剂的自偶电离常数.

笔者查阅了乙酸和水的自偶电离常数,从“常用酸、碱溶剂的性质”表摘录出一些质子自递常数的数据如下表(通常温度时)：

溶剂水甲醇乙醇醋酸硫酸甲酸氨(-50℃)pKs14.016.719.114.53.856.233

通过数据可知，pKs越大，Ks越小，因此醋酸的自偶电离常数比水的自耦电离常数略小，这可能是反应较慢的一个原因.笔者还对比了钠和乙醇的反应，速率比与乙酸反应还慢(乙醇的pKs为19.1).但由于乙酸和水的自偶电离常数差异不大(但实际反应速率差异较大)，因此笔者认为应该还有其它的原因影响了反应速率.

2.产物的溶解度对反应速率的影响

众所周知，不选择石灰石和稀硫酸制备CO2气体的主要原因是产物CaSO4微溶，附着在CaCO3的表面，从而阻碍了反应的进行.类似的例子还有很多，金属钙与水或者氢氟酸反应较慢，是因为生成的CaF2和Ca(OH)2由于溶解度小，阻碍了反应进行；文献表明金属钠与苯酚(羟基酸性比乙醇强)反应速率比与乙醇反应速率慢的最根本的原因是生成的苯酚钠在苯酚中溶解度小，附着在金属钠的表面从而阻止了反应的进行，而乙醇钠在乙醇中的溶解度较大；同样钠与浓盐酸的反应比水的反应慢，是因为浓盐酸与金属钠接触的部位有大量氯化钠生成，氯化钠在浓盐酸中的溶解度较小，难以迅速溶解，对溶液与金属钠的进一步接触起了一定的阻碍作用，使反应的剧烈程度降低.

上述大量事实证明，产物的溶解度对反应速率起到了不容忽视的影响.所以笔者猜测金属钠与冰醋酸反应生成的乙酸钠在冰醋酸中溶解度小，从而阻碍了反应的进行.而钠与水反应生成的氢氧化钠在水中的溶解度较大，很快溶解在水中，对反应的进行没有任何的阻碍作用.

3.氢键的影响

乙酸的沸点为117.9℃，水的沸点为100℃，因此乙酸中分子之间的氢键比水分子中的氢键作用强.正是这种强的氢键作用约束了羟基氢，破坏这类氢键需要更多的能量，所以乙酸与钠反应比水与钠反应所需的活化能大，反应速率慢.

四、教学启示

1.化学是一门建立在实验基础上的自然学科，很多问题当理论分析不清楚的时候，需要借助于实验来加以分析.

2.不能凭借经验对一些知识点抱以深信不疑的态度，长期以往就会思维定势.很多问题需要以质疑的态度去探究，大胆求证.只有这样才能获取新知，更新旧知！

3.通过这个问题的探究，笔者体会到认识过程是较为复杂的，一个科学结论的得出需要反复加以论证，理论结合实验.