钠与水及铝热反应演示实验的再探究

杨香菊 吴国权

摘要： 钠与水反应及铝热反应的实验是高中化学的经典演示实验，教学实践中发现教科书中这两个演示实验的设计有值得商榷之处。通过对各类教材、文献中介绍的方法进行比较，对现有的实验方案作了再改进。改进后的实验操作简便安全，现象清晰可见，减少了白烟污染，避免了强光干扰，体验到光和热的震撼场面，激发了学生对化学的好奇和兴趣。

关键词： 钠与水反应； 铝热反应； 演示实验； 实验改进

文章编号： 1005-6629（2023）04-0077-03

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题的提出

1.1  关于钠与水反应实验

钠与水反应的实验是中学化学经典实验之一，纵观人教版各种版本及现行普通高中三个版本教科书［1～3］中该演示实验的操作方法，发现都有改进的空间。早些时候的人教版教科书中使用铝箔包着钠再戳几个洞用镊子夹持在水下，用排水法收集反应产生的气体［4］。但用此法来证明收集的氢气是钠与水反应产生的并不严谨：因为氢氧化钠溶解氧化铝保护膜并与铝反应也可产生氢气。

现行普通高中三个版本教科书中均有钠与水的反应实验，均采用向培养皿（或烧杯）中加适量水，滴入1～2滴酚酞溶液，将切好的钠投入到水中观察现象的实验方案。实验中可以观察到一些基本现象，但是对于实验反应产生的气体是氢气这个结论却并未加以严密验证。当然教师可以引导学生从氧化还原的角度分析，既然钠失去电子生成氢氧化钠，则必然是氢元素得到电子生成氢气，这种从理论上引导学生理解反应产物，肯定不如利用化学实验进行验证。

针对上述问题，许多教师提出了自己的改进方案［5～8］。他们总计提出了约16种方案，这些方案的主要特征基本上可概括为：（1）利用了注射器；（2）利用启普发生器的原理两类（如图1、图2、图3等）。

其中毕晓昀、张会清老师利用矿泉水瓶子、橡皮塞和大头针的方法比较独特，能够快速地检验反应产生的氢气（如图4）。

但是，现有的所有改进方案在简约性方面或现象的全面性方面仍有一定缺陷。笔者设计的金属钠演示实验的方法与众不同，符合实验设计的科学性、安全性、可行性、简约性的基本要求。亮点是其简约性特别明显，所有想要的反应现象都能充分快捷地展现（包括氢气的验证），且具有趣味性。

1.2  關于铝热反应实验

对于铝热反应的引燃、反应现象的更完美展现、消除空气污染等问题，已有许多老师提出了解决方案［9］，但有些方案在实际操作中常常不成功或不理想，原因是高温下容易产生大量的白烟干扰现象，且有些反应结论还有不严谨之嫌。为此笔者做了改进，现分别介绍如下。

2  实验改进设计

2.1  金属钠与水反应实验

2Na+2H2O2NaOH+H2↑

2.1.1  实验用品

25mm×200mm的大试管、铁架台、镊子1把、小刀、长竹签、火柴（打火机）各1个，滤纸2片、蒸馏水（自来水）、约3粒绿豆大小的金属钠块、酚酞试剂

2.1.2  实验装置

装置如图5所示。

2.1.3  操作步骤及说明

大试管中加入约1/4高度的水，滴入酚酞2滴。取一小块钠用滤纸吸干其表面的煤油后立即投入试管中，管口盖上滤纸。视钠块所剩很少时，取下滤纸并迅速用燃着的竹签放在试管口，这时除了钠熔化成小球在水面快速运动发出丝丝响声和水变红外，还会看到，有火焰由上而下生成，并伴着尖锐的口哨声冲出试管。刹那间，学生的欢呼声和掌声也响成一片。

为了全体学生都能看清楚演示，可在做实验时用平板电脑直播投屏到大屏上。如果有条件可用高速摄影拍下点燃时火焰爆燃的情形。

2.1.4  实验改进的优点

该演示实验所需用品极少，装置也极其简单，操作简便安全，过程一气呵成。所有的现象都清晰可见，弥补了教科书上该演示实验设计的不足，且实验现象震撼、神奇。演示用时很少（1～2分钟），节省了课堂时间。由于大试管是敞开体系，钠的用量极小，反应产生的氢气量不大，爆鸣无危险。而且还可利用该实验现象让学生延伸理解为何加油站要防火，结合实验现象对学生进行安全教育。

2.2  铝热反应实验

Fe2O3+2Al高温2Fe+Al2O3

2.2.1  实验用品

500mL的烧杯1只（杯底铺好一小层砂）、铁架台、25mm×200mm的大试管（底部打个小孔）1只、滤纸1片、干燥的氧化铁粉、铝粉、研钵、药匙2只、开塞露1只、磁铁1个、高锰酸钾

2.2.2  实验装置

实验装置如图6所示。

2.2.3  操作步骤及说明

500mL烧杯中加入2/3高度的水，底部铺一小层砂防止烧杯被产物砸破。为防止反应时上喷过高、喷射面积过大不安全，以及防止表面过大易散热不宜引燃等的缺陷，将反应装置改为底部打一小孔的大试管（底部打孔是为了降低火焰向上喷射的高度），其中嵌入折叠成过滤时所用的滤纸，用手指按住使滤纸保持中空。试管竖直放置在烧杯正上方，其底部与烧杯上沿平齐。取3药匙干燥的氧化铁粉末和1药匙的铝粉混匀后加入试管里的滤纸凹槽中，再在铝热剂上加1药匙的高锰酸钾。最后再往高锰酸钾不同部位快速滴8～10滴开塞露的液滴（实验探究发现，若用纯甘油滴入高锰酸钾时由于其流动性差很难引发反应）。稍后约20秒左右，会看到铝热反应剧烈发生。向上有紫色的火焰喷射（伴有白烟），向下有一团小火球由试管底部小孔滴落进入烧杯里的水中，并伴着较大的响声在水下窜动，其红热状态保持约10秒左右，场面让观看者震撼，惊叫声四起。1分钟后用磁铁伸进烧杯中可吸出约有3粒黄豆大小的外表银白色的小球。建议在实验室做该实验时要离人群3米以上距离。

2.2.4  改进实验的优点

操作简便安全，学生可清晰地觀察到明显且震撼的反应现象。看到冒着火球的铁水由试管上部滴落坠入烧杯底部的过程。由于有水和砂层的保护以及冷却作用不仅防止了高温下的产物液态铁被氧化，而且可使反应产生的银白色的小铁球清晰可见（由磁铁吸出），弥补了以往演示实验的不足。由于弃用了沸点较低的镁，不仅避免了氧化镁的白烟污染，而且不会有镁燃烧所发出强光的干扰，使学生更能看清楚铝热反应本真的反应现象，体验到甘油与高锰酸钾相遇引发的光和热的震撼场面，感受到氧化还原反应的神奇。

该铝热反应实验

很好地说明了铝粉与氧化铁反应生成了铁，排除了镁粉与氧化铁发生反应的嫌疑。

对教科书中某些实验进行优化和改进，培养了学生科学探究与创新意识，把抽象的反应的化学方程式变成了鲜活的现实场景，激发了学生对化学的好奇和兴趣。

参考文献：

［1］王祖浩主编. 普通高中教科书·化学第一册（必修）［M］. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2020： 68.

［2］王晶， 毕华林主编. 普通高中教科书·化学必修第一册（第1版）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 36.

［3］王磊主编. 普通高中教科书·化学必修第一册［M］. 济南： 山东科学技术出版社， 2019： 10.

［4］人民教育出版社化学室编著.高级中学课本（甲种本）·化学第一册（第1版）［M］. 北京： 人民教育出版社化学室， 1983： 82.

［5］林秀丽. 钠与水反应实验的新设计［J］. 化学教学， 2022， （5）： 75～77.

［6］毕晓昀， 张会清. 钠与水反应实验装置的改进［J］. 化学教学， 2020， （6）： 68～71.

［7］李朝章， 何文慧， 张振述. “金属钠与乙醇（水）反应”实验再改进［J］. 实验教学与仪器， 2019， （3）： 27～28.

［8］吴国权. 化学新教材（人教版）中三个演示实验在教学中的困惑及对策［J］. 化学教学， 2009， （12）： 10～13.

［9］汪爱华. 铝热反应实验的改进探析［J］. 高中数理化， 2019， （4）： 77.