钠与水反应实验装置的改进

毕晓昀 张会清

摘要： 通过文献研究归纳数十年来不断推动“钠与水反应的气体产物检验”实验装置创新的五种重要“道具”： 尖嘴管、J形管、针、肥皂液、注射器。本实验再次作改进，设计用瓶塞刺穿器为新“道具”的实验方案，使该实验操作更简捷安全、现象更明显、成功率更高。

关键词： 钠与水的反应; 瓶塞刺穿器; 实验装置改进; 实验探究

文章编号： 10056629（2020）06006804  中图分类号： G633.8  文献标识码： B

1 问题的提出

基于教材实验的改进与创新是一线中学化学教师开展实验教学研究的重要内容。“为什么改”（已有实验方法的缺陷与不足）以及“怎么改”（装置、步骤、注意事项等）则是其中必须着重解决的两个关键性问题。在诸多的成功案例中，特定仪器、物品或试剂等关键道具的使用往往起到至关重要的作用。本文以“金属钠与水反应气体产物的检验”这一实验为例，谈谈实验创新与改进过程中关键道具的作用，并给出基于新道具的改进实验方案。

2 文献研究

以中国知网中的《化学教育》《化学教学》《中学化学教学参考》《实验教学与仪器》等四本中学化学教学和实验类期刊为检索来源，以“钠”和“水”为关键词进行检索，去除无关干扰项后共获得100余篇与“钠与水反应气体产物的检验”直接相关的实验改进类参考文献。其中最早可查的文献见于《化学教学》1981年第2期发表的“金属钾、钠和水反应的实验”[1]，1984至1988年《化学教育》共刊出4篇相关文章，之后该实验研究出现断档，直到1993年开始，几乎每年都有3～4篇文章刊出，2014至2019年间对该实验的探讨尤为热烈，仅这四本期刊就有50余篇文章刊出，其中不乏对前人实验方案的总结、分析、对比和评价[2～5]。

仔细研究每一篇文章后发现，百余位作者的研究成果，目的可能略有差异，装置也都不尽相同，但其中几种特定道具的出现和使用成为推动这一实验的改进与创新的关键，笔者尝试对其进行了归类与分析。

3 推动“钠与水反应气体产物检验”实验创新的几种关键道具

3.1 关键道具一： 带开关的尖嘴管——氢气的收集与释放更为可控

如图1a所示，早在1981年杨申姑[6]就使用了带开关的尖嘴管，其形状及控制原理均类似于碱式滴定管（如图1b所示）。与传统的“用试管排水法收集氢气，拇指堵住试管口移近火焰”相比，这个开关的存在使得氢气的储存、释放与点燃更具有可控性，并且完全避免了皮肤与氢氧化钠水溶液的接触。此后，类似的控制开关被广泛使用，并被“废旧的酸式滴定管尖嘴部分（如图1c所示）”“橡胶管加T形夹（如图1d所示）”等替代，使得取材来源更为广泛。陈央央[7]将导管设计成弯形（如图1e所示），以避免在空间上与其他仪器碰撞。

3.2 关键道具二： J形管——改“收集氢”为“储存氢”

与U形管不同，J形管的一端比另一端高出一部分（如图2a所示），以容納体系中生成的气体所排出的水。投入钠后塞紧橡胶塞，此时尖嘴管处开关为关闭状态，生成的氢气排向J形管高出端。待反应结束后，尖嘴管处开关打开，依据连通器的原理，高出的液面下降，将气体从尖嘴管推出，同时将火焰靠近即可清晰观察到氢气燃烧的火焰，现象明显。但释放和点燃气体需要双手甚至是双人的默契配合，未经训练的学生不容易上手，而且J形管属于异形仪器，需要自制或定制，使其推广受到很大限制。此后各种原理相近的替代装置层出不穷。

图2b装置保留了U形管的造型，而储氢空间则由分液漏斗[8]代替，将之改成普通漏斗、长颈漏斗甚至饮料瓶也都能起到相同的作用。还有相当一部分装置不再使用U形管，直接用广口瓶[9]（图2c）或者锥形瓶（图2d）作为反应容器。

以上若干装置，虽然外形上差异很大，但从本质上来说都是“排水储氢”加“尖嘴管点燃验氢”的组合，原理上并无不同。

3.3 关键道具三： 针——钠的投入方式有了重大突破

1995年刘金雄[10]用一根大头针穿过切好了的金属钠，然后钉在橡胶塞上，盖上瓶塞之后，通过瓶子的反转使得钠与水接触，随即熔成小球，脱离大头针，浮于水面上继续反应。该方法后来被用于高中化学教材（如图3所示）。

小小一根针，使得投钠、盖塞的两个操作合二为一，甚至可以单手进行操作。之后的实验改进中陆续出现了缝衣针、铁钉、注射器针头甚至是细铁丝等代替品。

3.4 关键道具四： 肥皂液——氢气的收集和点燃方式又有创新

2011年刘文明[11]在排水储氢之后，并没有直接释放进行点燃，而是在导管口涂了一些吹泡液，之后缓慢开启活塞释放的气体吹起气泡（如图4a所示），轻轻晃动导气管，气泡便离开管口，飘然向上，如果用火焰靠近气泡，便可听到清脆的爆鸣声。

上述方法趣味性有余，但可控性不足，对气体释放速度和肥皂液的要求都比较高，操作不当可能无法形成较大且不易破裂的气泡，后期追逐及点燃气泡的过程也会出现诸多不可控因素。2013年吴茂江[12]改进了肥皂液的用法（如图4b所示），将生成的气体通入肥皂液中，再用燃着的火柴直接靠近气泡。这种方法在2014～2019年的文献中多次出现，足见其实用性。

3.5 关键道具五： 注射器——集反应、储氢、验氢于一体

1993年任有良[13]最早开始在该实验中使用注射器（见图5），针筒内部成为钠和水的反应器，生成的氢气推动注射器内栓向外移动，达到储氢的目的，反应结束后靠近火焰推出氢气即可点燃。

随后，注射器的新功能被不断地开发出来。如用于向已经准备就绪的装置中加注少量水，以提升水面高度启动钠和水的反应;或在反应结束后抽取少量氢气进行检验;也有将两个注射器外筒用橡胶管或塑料管连接，就成了可以在U形管和J形管之间任意切换的组合装置。

钠与水反应实验成功的关键取决于投钠、储氢、验氢等几个关键步骤，而以上关键道具正是突破难点的重要手段。笔者经过反复尝试，选取以上部分关键道具进行重组，并加入新道具，设计出更安全、简捷的新实验方案。

4 基于新道具的“钠与水反应的气体产物检验”实验方案的设计

4.1 新道具： 瓶塞刺穿器

一次性医用输液器套件中刺入输液袋的一端叫做瓶塞刺穿器（如图6所示），具有中空金属针头，将针、导气管的作用合二为一，穿进橡胶塞后与输液软管配合使用，既可借助针尖戳取钠粒又可导出气体，制作非常方便。如暂时无法找到，也可用针和玻璃导管代替。

4.2 其他仪器和试剂

铁架台（或大烧杯一个）、大试管、橡胶塞、输液软管（或与细玻璃管匹配的橡胶管）、镊子、小刀、玻璃片、滤纸、钠、肥皂水（厨房用洗洁精与水1∶10配制）、蒸馏水

4.3 实验步骤

步骤1： 按图7所示装置組装仪器，并检查气密性。装置a稳定性好，便于教师演示;装置b省去夹持部分，更加简单便捷，适合学生实验。

步骤2： 向大试管中加入水，水面高度与针尖齐平或略低;向小烧杯中加入约30mL肥皂水。

步骤3： 从煤油中取出钠，切取绿豆大小一粒，用滤纸吸干表面煤油。

步骤4： 从试管上取下带有针头的橡胶塞，用针尖扎入钠块，盖回试管，将导管出口没于肥皂水中。此时若钠块与水面没有接触，可轻摇试管。

步骤5： 待反应结束钠块消失后，将导管出口从小烧杯中取出，用划着的火柴靠近小烧杯中的肥皂泡，观察现象。

注意事项：（1）钠块不宜过大且表面的煤油需尽量吸干，以防钠在反应过程中燃烧，导致橡胶塞弹出发生危险;（2）火焰靠近肥皂泡前务必将导管出口移出肥皂液，以避免导管及试管内残留的氢气被点燃。

4.4 优点——简单与安全

“钠与水反应的气体产物检验”实验通常被设计成教师课堂演示而非学生实验，其原因有三： 首先，钠与水的反应以及氢气的检验存在剧烈燃烧甚至爆炸的危险，教师不敢让学生亲自尝试;其次，文献中的一些实验方案虽然能够有效提升安全性，但装置过于复杂，甚至用到异形仪器，不可能准备多套用到学生实验中;第三，一些实验设计的操作步骤较为繁琐，一般学生难以快速上手，如一边打开开关释放氢气一边点燃的操作，需要双手甚至是两人默契配合才能完成，学生操作时容易配合失调而导致实验失败。本文新设计的这套实验装置则有效地克服了以上缺陷，装置简单、操作便捷、可控性强、安全、可重复使用，经多次实践均取得了非常好的教学效果。

5 关于实验改进的几点思考

5.1 理念中的取舍

实验的改进与创新是新手教师成长的必经阶段。实验改进的目的可能有很多种，其中不乏为了赶时髦而进行的各种改动，但是不是真的有必要呢？化学实验的“微型化”“数字化”“生活化”“绿色化”都有其各自适用的场合，但是你的课堂真的需要吗？把教师的演示实验设计成微型化实验，你让学生看什么？明明用手就可以摸出温度的变化，真的有必要上温度传感器吗？黑面包实验闻不到焦糖的“香”、铝热反应看不到火星四射和烟雾缭绕，把它们“捂”在一个密闭的空间里进行，虽然环保、安全，但和看实验视频也就没什么区别了。

5.2 借鉴中的思辨

一个实验存在这样那样的缺陷需要改进时，前人的经验可能成为最大的助力。公开发表的文献资料、学习观摩过的课例、网络上的实验视频，是我们获取资源的多种方式，但是信息越多，越需要冷静的思考。以文中所述“钠与水反应气体产物检验”为例，90余篇文献，看起来装置图各不相同，但其中的关键节点不过几个，必须加上自己的思考和实践，才能实现真正的创新。

5.3 生活中的发现

一位优秀的化学教师是戴着“化学的眼镜”来看世界的。一段新闻、一个广告、电视剧里的一个片段、商品上的一张标签，都可能成为课堂创意的来源。生活中有很多物品比如注射器，很早就被用到化学实验中，还有医疗用的真空袋、输液软管、轮式夹、瓶塞刺穿器，以及矿泉水瓶、食品袋中的脱氧剂、紫甘蓝和黑枸杞、甚至硫酸亚铁片……，不管是生活用品、食品还是药品，只要用得恰到好处，每一样“道具”都可能给课堂实验带来意想不到的效果。

纵观各级部门组织的化学实验创新大赛，其中很多作品确实让人耳目一新，但真正能够用到课堂上的又有几个？笔者认为，课堂实验的改进最根本的目的就是拉近学生与实验的距离，让学生能够更真切地感受实验本身，方便学生观察或上手，这才是实验改进与创新的真正意义所在。

参考文献：

[1][6] 杨申姑. 金属钾、钠和水反应的实验[J]. 化学教学， 1981， （2）： 29～30.

[2] 朱思光. 钠与水反应的各种实验方案比较研究[J]. 实验教学与仪器， 2014， 31（1）： 28～30.

[3] 徐志宏， 周正祥， 李大成. 钠与水反应实验的新设计[J]. 化学教学， 2016， （9）： 51～53.

[4] 伍强， 方娟， 蔡益. 钠与水反应实验的创新设计[J]. 化学教学， 2017， （8）： 73～75.

[5] 刘玉荣， 王阳. 钠与水反应的改进实验综述及新设计[J]. 化学教学， 2018， （12）： 75～80.

[7] 陈央央， 陆战英. 钠跟水反应演示实验的改进[J]. 中学化学教学参考， 1999， 28（5）： 33.

[8] 方艳红， 周婷， 孔衍. 钠与水反应实验的创新设计[J]. 实验教学与仪器， 2014， 31（2）： 34～35.

[9] 熊晓丹， 罗先进， 孙丹， 伍晓春. 钠与水反应实验装置的组合化改进[J]. 中学化学教学参考， 2015， 44（6）： 72.

[10] 刘金雄. 钠与水反应的实验新方法[J]. 化学教学， 1995， （3）： 11～12.

[11] 刘文明. 钠与水反应实验的改进[J]. 实验教学与仪器， 2011， 28（1）： 26.

[12] 吴茂江. 钠与水反应实验方案创新设计[J]. 实验教学与仪器， 2013， 30（6）： 37～38.

[13] 任有良. 也谈钠跟水反应的实验改进[J]. 化学教育， 1993， 14（4）： 43～44.