钠与高锰酸钾溶液反应颜色变化的实验再探究

连青阳 叶永谦 张贤金 严业安

摘要： 针对钠与高锰酸钾溶液反应颜色变化的原因解释可能存在的问题，设计实验探究钠、氢气、氢氧化钠等物质及温度、浓度等外在因素对溶液颜色变化的影响，发现溶液颜色变化的原因主要与溶液中的氢氧化钠含量及反应温度有关。认为钠并未与溶液中的高锰酸根离子直接反应，不宜将高锰酸钾溶液的变色作为证据证明钠与硝酸盐溶液反应后存在还原性离子。使用二分法探究氢氧化钠含量对高锰酸钾溶液颜色变化的影响，得出溶液颜色变绿的含量界限，印证锰酸根离子只有在强碱性溶液中才能稳定存在的结论。

关键词： 钠; 高锰酸钾溶液; 反应液颜色变化; 反应机理探究

文章编号： 10056629（2022）07006603

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

关于钠与盐溶液反应的探究，李明等老师在“钠与盐溶液反应的实验探究”一文中，深入探究了钠与高锰酸钾、硝酸盐等盐溶液的反应。通过将钠投入高锰酸钾溶液反应，溶液颜色变为浅绿色，将其作为钠可与高锰酸钾溶液反应得到锰酸钾的证据。使用高锰酸钾溶液检验钠与硝酸盐溶液反应的产物，通过观察到溶液变为浅绿色，将其作为钠可与硝酸盐溶液反应、产物中有还原性离子的证据[1]。罗玛老师认为，识别、筛选证据，应用、评价证据是科学探究和科学实践的重要环节[2];“证据”是可获得的事实与信息，既有本身的固有属性，也存在变化发展的潜在可能，因此证据具有复杂性的特点[3]。上述探究将高锰酸钾溶液颜色变为浅绿色作为证据，推理出钠能与高锰酸钾溶液、硝酸盐溶液直接反应的结论。但高锰酸钾在碱性条件下也具有氧化性[4]，其褪色是否与碱性条件有关？如果与碱性条件有关，那么金属钠是否与溶液中的高锰酸钾直接反应的问题就值得再深入探讨了。

2 钠与高锰酸钾溶液反应的再探究

关于钠与盐溶液反应过程，通常认为是钠先与水反应生成氢氧化钠，氢氧化钠再与溶液中的盐发生反应。但当钠与固态粉末状的盐反应时，可能出现钠与盐直接反应的情况。比如将钠放在石棉网上，使用无水硫酸铜粉末将其覆盖，加热后生成暗红色带有金属光泽的单质铜，说明钠与硫酸铜直接反应了。将钠投入高锰酸钾溶液中，钠接触到更多的是溶液中的水分子，要与溶液中的高锰酸根离子直接反应并使其褪色似乎难以实现。如果不是钠将溶液中的高锰酸根离子直接还原，那导致溶液变为浅绿色的物质只剩下钠与水反应生成的氢气和氢氧化钠了。

2.1 探究氢气对高锰酸钾溶液变色的影响

要探究钠与高锰酸钾溶液中的水反应生成的氢气是否能使该溶液褪色，首先要收集到氢气。但钠与水反应太剧烈，必须控制反应速率。李明老师采用纱布包裹钠块间歇性与水接触的办法进行控制[5]，但无法观察到钠块的变化。本实验使用502胶水对钠球表面进行处理，通过控制钠与水的接触面积，可以达到较好效果[6]。具体处理方法如下： 将钠球切成边长为10mm的立方体，浸泡在502胶水中（胶水可以倒在矿泉水瓶盖中）。一小段时间后取出，在空气中晾干，此时钠块表面形成一层透明的502胶皮。用针头在胶皮上挖一小孔让金属钠露出来，金属钠通过该小孔与水反应，可观察到有连续的氢气气泡从小孔冒出。

实验开始后，往广口瓶中加入高锰酸钾溶液至靠近瓶口处，将502胶水处理后的钠块投入该溶液中，立即塞上单孔橡皮塞，使用玻璃导管将产生的氢气通入盛放高锰酸钾溶液的烧杯中。钠与广口瓶中的高锰酸钾溶液接触后反应，挖孔处不断冒出气泡，生成的氢气连续通入烧杯中的高锰酸钾溶液并无褪色现象发生，反而是广口瓶中的高锰酸钾溶液颜色逐渐变为浅绿色（见图1）。

上述实验中，氢气无法使高锰酸钾溶液褪色，说明氢气不是导致钠与高锰酸钾溶液接触后溶液褪色的原因。广口瓶中的溶液由紫红色变为浅绿色，说明有两种可能： 一是钠直接与高锰酸根离子反应导致其变色;二是反应产物氢氧化钠的生成导致其变色。如果能证实氢氧化钠可使高锰酸钾溶液变色，则钠能直接与溶液中高锰酸根离子反应的说法就值得商榷了。

2.2 探究氢氧化钠对高锰酸钾溶液变色的影响

重复李明等老师的實验，将绿豆大小的钠块投入浓度较小的高锰酸钾溶液中[7]，发现紫红色变为无色，并未出现浅绿色，但颜色有变化是共同的事实。为了探究产物氢氧化钠对溶液颜色变化的影响，先让绿豆大小的钠块与水反应，待钠块完全消失，再滴入高锰酸钾溶液，玻璃棒搅拌后，紫红色褪去。

上述往金属钠完全消失后的溶液中滴入高锰酸钾，紫红色仍然褪去，说明氢氧化钠的生成确实影响了高锰酸钾溶液的颜色变化。北京师范大学等校无机化学教研室编写的《无机化学》（下册，第四版）明确指出，在碱性溶液中，高锰酸根离子可以分解为锰酸根离子和氧气，反应的化学方程式如下： 4KMnO4+4KOH

4K2MnO4+O2↑+2H2O[8]。本实验通过改变高锰酸钾加入的顺序，获得了氢氧化钠可以影响高锰酸钾溶液颜色变化的证据，说明李明等老师关于钠可与溶液中的高锰酸根离子直接反应的结论，以及使用高锰酸钾溶液可验证钠与硝酸盐反应后溶液中存在还原性离子的说法[9]，还需要继续探讨。

2.3 探究温度对高锰酸钾溶液变色的影响

以上两个实验中，使用相同浓度的高锰酸钾溶液与绿豆大小的钠块反应，502胶水处理的钠块反应后溶液呈浅绿色，表面无处理的钠块反应后溶液几乎无色。在浓度相同的条件下，影响高锰酸钾溶液变色的因素还有什么？李明等老师认为与反应的剧烈程度有关，反应越剧烈就越容易出现浅绿色[10]。上述两个实验的差别在于是否用502胶水处理钠块表面，502胶水处理后的钠块反应放出的热量更不易散失，使钠块温度可以迅速升高熔化，最后导致溶液变为浅绿色。为了探究温度对反应后溶液颜色的影响，取浓度相同的三杯高锰酸钾溶液，第一杯作为对照，第二杯加入502胶水处理后挖小孔的绿豆大小钠块，第三杯直接加入绿豆大小的钠块。反应开始后，第二杯钠块挖孔处不断冒出气泡，一段时间后钠块熔成银白色的小球，瞬间火星四射，溶液最后变为浅绿色。第三杯溶液中的钠块表面始终覆盖着一层白色固体，并未出现剧烈的燃烧现象，溶液最终变为浅紫色。通过对照实验，获得颜色变化的直观证据，说明溶液是否变为浅绿色还与反应的温度有关，即4KMnO4+4KOH

4K2MnO4+O2↑+2H2O的反应限度随着温度的升高而增大。

3 探究使高錳酸钾溶液变绿色的氢氧化钠含量界限

上述实验的结果是氢氧化钠的存在可以使高锰酸钾溶液颜色发生变化，但变化的结果出现了浅紫色、几乎无色或浅绿色等情况。由于溶液中高锰酸根离子呈紫红色而锰酸根离子呈绿色，溶液颜色的变化与二者浓度的大小有关;氢氧化钠的加入可与高锰酸根离子反应，引起其浓度下降而锰酸根离子浓度升高，最终导致溶液由紫红色变为绿色。李明等老师往少量高锰酸钾溶液中多次加入芝麻大小的钠粒，发现随着钠粒的不断加入，溶液逐渐由紫红色变为深绿色[11]，印证了以上推理。那么，使高锰酸钾溶液变绿色的氢氧化钠含量界限是多少？通过二分法设计定量实验可以解决该问题。具体步骤如下： 首先，按照控制变量法的要求配制1000mL 0.001mol·L-1高锰酸钾溶液，平均分成10份倒入烧杯中（每份100mL）。由于该实验是试探性的，试探次数需要足够多才能找到颜色变化界限，因此相同浓度的溶液配制了10份。然后，准备不同物质的量的氢氧化钠固体加入其中溶解观察颜色变化进行试探。试探时先准确称取0.10mol、 1.00mol氢氧化钠两份固体分别加入两份高锰酸钾溶液中，发现1.00mol可以使溶液变为深绿色而0.10mol不能;以0.10mol和1.00mol为边界，采用二分法取其近似中间量0.50mol进行试探，发现可以使溶液变绿色;再以0.10mol和0.50mol为边界，取其中间量0.30mol进行试探，发现不能使溶液变绿色。此时，不能变绿色的边界是0.30mol，能变绿色的边界是0.50mol，再取二者中间量0.40mol进行试探，发现溶液不能变绿色;再以0.40mol和0.50mol的中间量0.45mol进行试探，溶液变绿色。最终得出对于所述100mL 0.001mol·L-1高锰酸钾溶液，能使其颜色刚好变为绿色的氢氧化钠固体物质的量为0.45mol。这个结论与《无机化学》中“锰酸钾只有在pH>14.4的强碱性条件下才能稳定存在”的表述基本吻合[12]。

4 实验总结

影响钠与高锰酸钾溶液反应颜色变化的因素主要有两个： 一是溶液中氢氧化钠的含量，二是反应温度。钠未与溶液中的高锰酸根离子直接反应，高锰酸根离子与氢氧化钠反应生成锰酸根离子是导致溶液变绿色的主要原因。因而不宜将高锰酸钾溶液的变色作为证据，用于证明钠与硝酸盐溶液反应后存在还原性离子。

在《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》的课程目标中，“学会收集各种证据，对物质的性质及其变化提出可能的假设;基于证据进行分析推理，证实或证伪假设;能解释证据与结论之间的关系，确定形成科学结论所需要的证据和寻找证据的途径”是对发展学生学科核心素养的重要要求[13]。以上探究基于钠与高锰酸钾溶液反应颜色变化的原因问题，从化学反应原理的角度提出可能影响颜色变化的物质有钠、氢气、氢氧化钠等;从外界因素的角度提出可能影响的因素有温度、浓度等。通过设计实验探究不同物质及外界条件对溶液颜色变化的影响，特别是往钠与水完全反应后的溶液中再滴入高锰酸钾溶液的实验，获得了即便没有金属钠，溶液也会变色的重要证据;钠并未与稀溶液中的高锰酸根离子直接反应，钠与水反应生成的氢氧化钠才是导致溶液变绿色的主要原因，探究过程有利于培养学生的证据意识及独立思考、敢于质疑的品格[14]。实验中巧用502胶水控制金属钠与水接触的表面积，与表面未处理的相同大小的钠块，分别投入相同浓度的高锰酸钾溶液中，得出温度高有利于溶液变为绿色的结论，对照方案和钠表面处理的设计有利于培养学生勤于实践、勇于创新的精神。使用二分法探究氢氧化钠含量对高锰酸钾溶液颜色变化的影响，得出使溶液颜色变绿的界限，实验过程有利于引导学生主动建构“定量”概念，形成定量研究的科学思维和习惯[15]，培养学生严谨求实的科学态度，从而提高化学学科核心素养。

参考文献：

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