基于传感器促进学生认识钠与水的反应

吴琳洁

【摘 要】本实验利用传感器测量钠与水反应过程中温度和pH的变化，使实验的结果更准确、更有说服力。同时改进实验装置验证反应过程中所产生的气体。

【关键词】钠与水反应;传感器;氢气检验;实验改进

一、提出问题

钠与水的反应实验是高中化学重点实验内容之一，2017版《普通高中化学课程标准》中课程内容部分对“钠与水的反应”这一知识点做出了明确要求：结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解钠及其重要化合物的主要性质。结合该学习要求，人教版、苏教版、鲁科版均采用在烧杯中加入一些水，滴入几滴酚酞溶液，投入绿豆大的钠块来观察实验现象的方案。该实验方案操作简单，现象十分明显。但仍然存在着很多不足：一是钠与水的反应比较剧烈，又是在敞口的烧杯中进行，所以要严格控制金属钠块的大小，否则可能使生成的碱性溶液溅出，存在着一定的安全隐患。二是反应中钠块在液面上四处游动，推知有气体产生，但是对于所生成的气体种类，教学中多采用原子守恒的思想推断得出，学生缺乏一定的感性认知。三是在实际教学中，由钠块融成小球，推知反应过程中放出热量，但是溶液的温度变化并不明显。同时根据加入酚酞的溶液颜色由无色变为红色，可帮助学生理解有碱生成，较有说服力。但这两点均缺乏有力的数据支撑;因此笔者尝试围绕气体的检验、并借助于传感器技术对钠与水的实验做如下改进。

二、实验过程

数字化实验室由数据采集器、系列传感器和软件构成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为其他形式输出给数字采集器并通过电脑程序处理，形成具体的数据，便于我们来观察和分析。本实验中我们使用普通温度传感器和pH传感器来测量反应过程中溶液温度变化及pH变化，以反映实验的热效应及是否有碱生成。

1.实验仪器和试剂

三颈烧瓶、玻璃导管、分液漏斗、蒸发皿、磁力搅拌器、普通温度传感器、pH传感器、数据采集器、镊子、滤纸、玻璃片、小刀、大头针。

2.实验步骤

（1）按如图组装实验仪器，将普通温度传感器和pH传感器分别固定好，调节位置确保探头不要和搅拌磁子碰撞。连接计算机、数据采集器、温度传感器和pH传感器。

（2）向三颈烧瓶中加入一定量的蒸馏水，用热毛巾捂住三颈烧瓶底部，看到导管末端有气泡产生，恢复到室温后，导管末端形成一段水柱，证明装置的气密性良好。向三颈烧瓶中放入磁子，在橡胶塞内部穿插一根针，同时在针尖部位固定一块黄豆大小的金属钠，塞紧橡胶塞。

（3）打开电脑中Edis系统，用鼠標选择“选传感器”，勾选“自动识别传感器”。选择“采集参数”，弹出采集参数对话框，选择“定频率模式”，采样速度选择10点/秒。校准pH传感器。

（4）打开磁力搅拌器开关，点击工具栏上“开始”按钮进行采集，待数据稳定后，拔掉橡胶塞上的大头针，钠块进入水中，观察溶液中温度和pH值变化的情况。

（5）当肥皂水中有气泡产生，用导管末端蘸取肥皂液，等气泡长大后，轻轻抖动玻璃导管，观察到气泡向上飞走。待蒸发皿中产生较多气泡时，用点燃的木条靠近气泡。

（6）实验结束后，点击“停止”按钮。右键点击曲线区域“输出”——“保存图片”。

三、实验结果

1.实验中，可以看到钠块浮在水面上，发出“嘶嘶”响声，熔成一个小球。

2.加入钠块之后，也就是采集数据的第42S，溶液的pH开始明显增大，从7迅速上升到11，证明有碱生成;同时温度开始升高，从18.3℃一直上升到21.5℃，说明钠与水的反应是放出热量。

3.导管末端产生的气泡上浮，说明气体的密度比空气小，用燃着的木条靠近，气泡燃烧，听到“噗”的爆鸣声，可证明产生的气体是氢气。

四、实验的创新点

1.安全性高。钠与水的反应是在密闭的三颈烧瓶中进行的，可以避免产生的碱液溅出伤人。当产生较多气体时，可将烧瓶内的液体排出到分液漏斗内，防止压强过大造成一定的安全隐患。产生的气体在空气中点燃，避免了因氢气不纯而爆炸的危险。

2.趣味性强。实验中产生的氢气气泡上升，及氢气在空气中燃烧瞬间产生的巨大火焰，增强了实验的趣味性，给学生留下深刻的印象，激发学生主动思考的学习潜能。

3.说服力强。利用传感器将实验中的现象数据直观的呈现出来，使结果更加准确，增强了实验的说服力，也为学生提供了一个新的视角，体验感更强。

总之，将传感器技术应用于化学教学，可以很好的促进学生对于知识的理解，帮助教师更好的突破教学重难点，促进学生的化学核心素养的养成。