金属钠保存试剂探究

李鸿斌

（四川中医药高等专科学校，四川绵阳 621000）

1 概述

长期以来，实验室使用的金属钠均保存在煤油中，对此，教师、学生均习以为常，师生们普遍认为，之所以将金属钠保存在煤油中，主要是由于以下两方面因素：

1）金属钠不会与煤油中各组分发生化学反应。

2）金属钠与煤油相比密度更大，当金属钠加入煤油介质中就可以沉降在煤油介质底层，被煤油全部覆盖，从而隔绝空气保持稳定。

那么，事实是否真的完全如此呢？通过研究，得出的结论是否定的。

2 目前金属钠保存试剂存在的不足

如果认真观察封存在煤油介质中的金属钠便会发现，金属钠放置在煤油介质中一段时间以后，随着时间的推移，原本具有银白色金属光泽的金属钠表面会出现一层灰色到土黄色的物质，如果将金属钠表面出现的这一层灰色到土黄色的物质切割掉，再重新将它放入煤油中，过一段时间后会发现新切割的具有银白色金属光泽的金属钠断面上又会出现少量气泡，随着放置时间的推移，在金属钠的断面上会重新产生灰色到土黄色的物质。

以上现象说明，煤油中的某些组分会和金属钠发生化学反应，产生的物质沉积在金属钠表面，在做金属钠的相关性质实验时，为了取得纯净的金属钠，必须每次小心地剔除掉金属钠表面沉积的反应物质。这样做，既浪费了原料，又十分不便，剔除不干净还将可能对金属钠性质的验证实验等产生影响。

同时，由于煤油的沸程为180～310℃，挥发性较强，挥发较快，为保证金属钠完全被煤油封存，需要不定时添加煤油。煤油易燃，挥发后与空气混合形成爆炸性的混合气，爆炸极限为2%～3%，在经常有加热、点烧、燃烧等操作的实验室环境中放置，具有一定的安全隐患。煤油略具酸臭，一般属微毒-低毒物质，吸入溶胶或雾滴会引起黏膜刺激，对人体也具有一定的危害性。

3 在煤油中金属钠表面产生气泡及土黄色物质的原因分析

要弄清楚金属钠保存在煤油中银白色光泽的表面会产生气泡及土黄色物质的原因，就必须要弄清楚煤油的成分，以便找到与金属钠发生反应的物质，进而对观察到的现象作出科学的解释。

煤油作为石油分馏产品中馏分之一，其包含成分与其来源有直接联系。从石油产品中非烃类物质的构成情况着手，来探究在煤油中金属钠表面产生气泡及土黄色物质的原因。

3.1 石油产品中非烃类物质的分布情况

石油是一种深褐色的黏稠液体，是由碳氢化合物及其衍生物组成的一种混合物，把石油进行分馏，按沸点不同，可以得到各种石油产品，如表1所示。

表1 石油分馏产物

在石油产品中，存在多种非烃类物质，其主要组成情况如表2所示。

表2 石油产品中主要的非烃类物质

含硫化合物硫在石油馏分中的分布一般是随着石油馏分沸点的升高而增加，大部分硫集中在重馏分油和渣油中。

石油中的氧都是以有机含氧化合物的形式存在的，包括醛、酮、醇、酯、环烷酸、脂肪酸、酚、无机酸、芳香酸、硫醇等。石油中的含氧化合物主要以酸性含氧化合物为主，其中主要是环烷酸。环烷酸是一种带有五元环或六元环的十分复杂的羧酸混合物，相对分子质量多在200～700，为淡黄色或橙色液体，是一种较难挥发的黏稠液体，在石油馏分中多分布在中间馏分，占石油酸性含氧化合物的90%左右。

石油中的氮含量一般比硫含量低，氮分布也是随着馏分沸点的升高含量迅速增加，约有80%的氮集中在400℃以上的重油中。

3.2 金属钠与煤油组分之间发生的主要化学反应

通过对石油产品中非烃类物质的分布情况进行分析可以发现，环烷酸是煤油组分中能与金属钠发生反应的主要物质，环烷酸的化学式可表述为：

环烷酸是一种极弱的酸，对某些金属有腐蚀作用[4]，与金属反应生成盐。

将金属钠放入煤油中，金属钠与煤油中的环烷酸之间会发生如下反应：

将金属钠封存在煤油中，在金属钠银白色光泽的表面会产生气泡正是由于反应产生了氢气的原因。而生成的RCOONa 为白色糊状物[5]。RCOONa 与淡黄色或橙色液体的RCOOH 之间存在着氢键等较强的相互作用，体系中存在组成为RCOONa.RCOOH 及更多种类的酸盐缔合物，这些缔合物在煤油中的溶解度较小，故在煤油中以土黄色物质形式析出，附着在金属钠表面。这就是为什么封存在煤油中金属钠表面上会产生土黄色物质的主要原因。

4 煤油介质的净化处理及金属钠保存效果对比

通过以上的分析，发现煤油作为常见保存金属钠的介质，由于煤油中环烷酸的存在，会消耗掉部分金属钠，同时，由于反应生成的酸盐缔合物包裹在金属钠的周围，给金属钠的取用带来不便并可能影响实验结果。

为了消除煤油中环烷酸对金属钠的影响，去除煤油中的环烷酸应该是较好的办法。基于简便、快捷、可操作性强、材料易得、实用的原则，根据环烷酸的酸性性质，拟定了用酸碱中和的办法，用强碱去除煤油中的环烷酸。

酸与碱发生中和反应，生成盐和水。环烷酸与强碱譬如氢氧化钠（NaOH）反应的化学方程式如下：

从反应式可以看出，利用与氢氧化钠的中和反应，虽然可以去除煤油中的环烷酸，但是，由于反应生成了水，水极易与金属钠反应，不仅消耗金属钠还由于水与金属钠反应剧烈而且放出大量的热，会引发煤油的燃烧甚至爆炸，所以，必须彻底清除体系中产生的水分。选择活性炭，利用活性炭的吸附性来清除中和反应产生的水。这个方法所需要的试剂一般化学实验室均能提供，反应物质的量也易于控制，产物用简单的过滤方法就可以分离。但是，由于活性炭的吸附能力较强，在吸附水分的同时，也会吸附大量的煤油，既消耗原料又给活性炭的解吸和回收带来困难，所以，不是很好的处理方法。

要解决这一问题，就需要找到一种既可清除环烷酸，又可以同时除去反应生成的水的物质。这种物质必须具备碱性，能与环烷酸反应，同时，反应生成的水分又能与之结合成易于清除的产物。要具备这样的条件，想到了碱性氧化物，再进一步，从碱性氧化物中筛选出了氧化钙（CaO）。这是由于氧化钙能够与环烷酸反应，中和掉煤油介质中存在的环烷酸，同时，反应过程中生成的水又能被过量的氧化钙中和形成氢氧化钙。其反应式如下：

这样，通过向煤油介质中加入过量的氧化钙，既可清除掉煤油中的环烷酸，同时，又中和了反应产生的水。最后通过过滤清除掉反应过程中产生的（RCOO）2Ca、Ca（OH）2和过量的CaO，从而得到不含环烷酸的更为纯净的煤油。

为了验证用氧化钙净化去除环烷酸后的煤油介质保存金属钠的效果，将新切割的通体呈现银白色金属光泽的洁净金属钠分别放入用氧化钙处理后的煤油介质和没有用氧化钙处理的普通煤油介质中，进行对比实验发现，用氧化钙处理后的煤油介质和未用氧化钙处理的煤油介质中保存的金属钠，经过一个月以后，金属钠表面均会变暗，失去银白色金属光泽，保存在未用氧化钙处理的煤油介质中的金属钠六个月后表面即形成一层灰色到土黄色的物质，保存在用氧化钙处理后的煤油介质中的金属钠六个月后表面变灰，随着时间的推移，十二个月后，金属钠的表面也会逐渐形成一层土黄色的物质。

这个对比实验说明：煤油中存在的环烷酸仅仅是影响金属钠保存效果的原因之一，在煤油中，除开环烷酸外，应该还有其他物质能与金属钠反应，产物在金属钠表面聚集形成灰色到土黄色的物质。

5 保存金属钠的新试剂

通过以上的分析及实验发现：由于金属钠与煤油介质中存在的环烷酸等物质反应，会消耗掉部分金属钠，同时，反应形成的缔合物在金属钠表面沉积，使得在使用金属钠时必须剔除金属钠表面的沉积物，使金属钠的取用变得较为繁琐，同时，由于煤油本身易挥发、易燃、有一定的刺激性和毒性，并不是保存金属钠的最好的试剂。

鉴于用煤油保存金属钠存在的以上不足，开始寻找金属钠保存的新试剂，并对此展开了实验、研究。

5.1 保存金属钠的试剂应具备的条件

保存金属钠较好的试剂，原则上应具备以下5大条件：（1）保存试剂及其组分不和金属钠发生化学反应；

（2）金属钠的密度应比保存试剂大，使金属钠能沉降在试剂底部，完全被试剂介质包裹，保证金属钠和空气隔绝；

（3）保存试剂稳定性强、挥发性小、无毒无害；

（4）保存试剂较为常见、价格低廉、易于购买；

（5）金属钠表面附着的保存试剂便于去除。

根据以上对金属钠保存试剂的5大要求，对常见的符合以上条件的试剂进行了比对分析，最终选择液体石蜡试剂进行研究。

5.2 液体石蜡试剂的实验验证

液体石蜡为无色半透明液体，无味无臭，对光、热、酸稳定，对人体无害，沸点180～250℃，常温下几乎无挥发性，密度0.86～0.905g/cm3，比金属钠密度0.968g/cm3小，因此，金属钠能沉降在液体石蜡试剂的底部，保证了金属钠和空气的隔绝，取用金属钠时，金属钠表面附着的液体石蜡易于清除，即使黏在手上也不会对人体产生危害。同时，液体石蜡价格低、购买方便，满足保存金属钠的物理条件。

在试剂挥发性、金属钠与试剂间的反应性方面实验结果如下：

（1）挥发性实验。为了直观地观察液体石蜡的挥发性，用洁净的带刻度的50mL 的小烧杯取成都金山化学试剂有限公司生产的批号为090904的化学纯的液体石蜡50mL，敞放在实验台上，室温下保存（17℃/10℃），并注意观察它的挥发性。通过观察发现液体石蜡在经过一个月、半年、一年的时间段后，分阶段观察，体积没有变化，一直没有挥发。

（2）反应性实验。同样用洁净的50mL 小烧杯，取用以上试剂厂生产的同批次液体石蜡，在试剂中加入新切割的断面带有银白色光泽的金属钠，放入液体石蜡试剂中，刚放入时，金属钠表面会有少量气泡产生，经过几秒钟后，气泡便不再产生，金属钠断面上光洁如初，未发现其表面及烧杯底部有其他物质出现。一年以后，保存在液体石蜡中的金属钠表面仍然光洁如初，未观察到有反应物质出现。此实验现象说明，刚把金属钠放入液体石蜡中时，由于残存于液体石蜡中的微量的游离酸与金属钠反应产生少量氢气，故有气泡出现。但由于液体石蜡中残存的羧酸量很少，故气泡产生的时间较短，无产物在金属钠表面沉积，而液体石蜡本身并不会和金属钠发生化学反应。

6 结束语

通过以上的分析和实验可知：由于金属钠与煤油中环烷酸等物质之间的反应，使得保存在煤油中的金属钠被部分消耗掉，实验时剔除金属钠表面沉积的反应缔合物较为麻烦，同时由于煤油自身的刺激性、易挥发性、易燃、易爆性和毒性，说明煤油并不是保存金属钠的理想试剂。而液体石蜡，由于它的稳定性高、不与金属钠反应、难以挥发、无味无臭、去除方便、价廉易得，无疑是目前研究发现的保存金属钠的较好试剂。