钠与水反应现象之原因探究

师棋　孙晓春

摘要： 以具支U型管为主要仪器，设计一套既能检验反应产物又能多角度解释实验现象的钠与水反应的一体化装置。在具支U型管中加入煤油和水，两侧分别投入一小块金属钠形成对比，感知钠与水反应的剧烈程度；两侧分别加入两小块金属钠，探明钠为什么会“熔”成小球，将熔融概念可视化。在U型管中加入蓖麻油验证密度因素是使钠“浮”在水面上的原因之一。

关键词： 钠与水反应； 对照实验； 一体化实验装置； 实验改进

文章编号： 10056629（2023）11007604 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题的提出

钠与水的反应是高中阶段学生的第一个探究实验。高中化学课程标准强调：教师在教学中要整体规划实验及探究教学，发挥典型实验探究活动的作用，改变在实验中只注重动手但缺少思考的现状，强调高级思维过程，重视开展高水平的实验探究活动［1］。在教学中有效引导学生对钠与水反应产物的探究及其反应现象做出合理、全面的解释尤为重要。通过对人教版1983版［2］、2002版［3］、2004版［4］、2019版［5］四个版本教材（见表1）中钠与水反应实验内容的梳理分析，发现1983版反应产物、产物检验、现象描述及解释等直接给出；2002版指明了产物的检验方法进而推导出产物，“讨论部分”注意引导学生观察、解释实验现象；2004版没有涉及气体的收集与检验，“观察提示部分”增加了热量的视角；2019版从预测、实验、结论三个环节强调实验探究的重要性，通过产物预测、实验得出，符合新课标的理念，但没有提及气体的收集与检验。综上所述，可从这四个版本的教材发现以下问题：（1）前三版教材探究倾向不明显；（2）钠浮在水面上都从密度的角度进行解释，会不会是因为有气体产生而使钠浮在水面上；（3）钠的形状变成小球都从反应放热的角度进行解释，会不会是因为钠的消耗导致了钠的形状发生改变；（4）反应放热没有可视化；（5）最新两版教材都没有氢气的收集与检验。

2 钠与水反应改进实验研究

查阅大量文献，不少学者和一线教师对钠与水的反应作了进一步的研究。在验证产物氢气方面：毕晓昀等通过文献研究归纳并设计出简单便捷、可控性强、安全的检验装置［6］。关于温度可视化：孟恬静利用感温勺子，将温度变化实现了可视化［7］，但市售感温勺子过大，装置不易搭建；李顺巧等通过红外热成像仪测出反应温度从最初的20℃迅速升高到反应最剧烈时的72℃［8］，但该实验对现代化实验仪器要求较高。为了使钠与水的反应现象明显，有学者利用煤油减缓反应速率：巩永锐等用中性笔设计装置［9］，使钠与水反应现象明显，趣味性强，拉近了化学与生活的距离，实验仪器易得，但在实验中，随着钠在水层和煤油层之间不断跳动，钠的表面包裹着煤油，阻碍了钠与水的进一步反应，难以观察到钠熔成小球，气体也不易收集和检验。关于钠“浮”在水面上：谢清秀提出气体与密度均是影响钠浮在水面上的因素，并采用密度为1的苯和四氯化碳的混合液進行验证［10］，但苯和四氯化碳易挥发且有毒，不符合绿色化学理念。

3 钠与水的反应改进

鉴于此，本实验以具支U型管为主要仪器，集中探究钠与水的反应产物；采用水银温度计，以实现温度可视化；加入煤油作为对照组实验，以减缓反应速率，使反应现象明显；根据液体的特点，采用对照实验，解决钠“熔”成小球的疑惑；利用市售蓖麻油（ρ≈0.98g/cm3）不与水反应及其密度特点，探明钠“浮”在水面上的原因。最终设计出一套既能检验反应产物又能多角度解释实验现象的钠与水反应的一体化装置。

3.1 实验仪器及药品

铁架台、具支U型管、水银温度计、蒸发皿、橡胶管、金属钠、煤油、蓖麻油（ρ≈0.98g/cm3）、酚酞溶液、肥皂水、蒸馏水等

3.2 钠与水反应产物的探究及新问题的提出

实验装置及操作：在具支U型管中加入适量滴有酚酞的蒸馏水，具支U型管左侧加入一定量煤油，右侧支管连有气体收集检验装置，同时将两块绿豆大小（形状、大小相同）的金属钠分别放入具支U型管两侧，右侧上口立即插上水银温度计，如图1所示。观察实验现象，片刻后，点燃收集到的气体，得到图2所示实验现象。

实验现象：右侧温度计读数升高，点燃收集到的气体，有爆鸣声；钠块形状不同：U型管左侧钠块的形状几乎没有发生改变，右侧钠块变成小球；钠的运动状态不同：U型管左侧钠在煤油层和水层之间来回跳动，右侧钠浮在水面上；酚酞溶液变红的面积不同：右侧变红的面积多于左侧变红的面积。

得出结论：（1）钠与水反应放热，有氢气和碱性物质生成。（2）反应消耗钠不是钠块变成小球的原因。（3）反应产生气体，是钠“浮”在水面上的因素之一。（4）钠在水中比钠在煤油层和水层之间的反应更剧烈。

提出问题：（1）同是钠与水反应，为什么钠的形状在水中会变成小球，而在煤油层和水层之间几乎不发生改变？（2）在气体的作用下，钠在煤油层和水层之间来回跳动，如何排除气体因素直接证明钠的密度比水小也是钠“浮”在水面上的原因？

3.3 钠与水反应现象——“熔”的原因探究

实验装置及操作：在具支U型管中加入适量蒸馏水，具支U型管左侧加入适量煤油，同时各将两块绿豆大小（形状、大小相同）的金属钠分别放入具支U型管两侧（共4块钠），得到图3所示实验现象。

实验现象：U型管左侧两块钠为块状，各自独立地在煤油层和水层之间来回跳动，且没有熔合成一块；右侧试管中两块钠逐渐熔合成一块，且形状变成小球，最终消失。

现象解释：类比荷叶上的小水珠相遇后会汇聚形成大水珠，在U型管右侧两块金属钠最终熔合成一个小球，是因为反应放热，固体钠变成了液体钠，根据标准摩尔生成焓计算出钠与水反应放出的热量，ΔH=-139.779kJ/mol，反应放出的热量，能够达到钠的熔点（97.72℃），使钠熔化；同时由于液体都有表面张力，使液体形状总向表面积最小的趋势变化，而具有同体积的所有形状中，球体的表面积最小，于是它变成小球，这也解释了无论钠块的形状是什么样的，钠块放入水后，最终都会熔成小球。而在U型管左侧，煤油减缓了钠与水的反应速率，使钠与水反应放出的热量减少，没有达到钠的熔点，所以钠块的形状几乎不发生改变。

得出结论：钠块熔化后，外形类似粗略的球形，是因为反应放热，钠的熔点低，块状的钠熔化。

3.4 钠与水反应现象——“浮”的原因探究

实验装置及操作：在具支U型管中加入适量蒸馏水，具支U型管右侧加入适量蓖麻油，放入一块金属钠，观察实验现象。

实验现象：液体分层，上层为蓖麻油，下层为蒸馏水，钠浮在蓖麻油上。

现象解释：钠的密度＜蓖麻油的密度＜水的密度。

得出结论：钠浮在水面上与钠的密度比水小有关。

3.5 实验结论

通过以上实验，证明了钠与水的反应产物是氢氧化钠和氢气。同时验证了钠浮在水面上既有密度的因素，又有气体因素；钠变成小球是因为反应放出的热量达到钠的熔点，固体钠熔化成液体钠。

4 小结

本实验最大的创新点在于采用具支U型管、水银温度计等常规实验仪器设计出的一体化装置，不仅能检验反应产物，也能解释有关实验现象，且新方案可操作性强、现象明显，适合在课堂中演示。通过对照实验中U型管左右两侧反应现象的差异，学生自然会提出钠为什么会“熔”成小球、钠“浮”在水面上的真正原因是什么？实验过程层层递进，学生在教师的引导下类比推理，设计实验，分析现象，得出结论，达到学生对熔融概念可视化的效果。通过实验直接验证了钠的密度比水小，提升了教学效果，进而发展了学生的科学探究与创新意识。同时，对照实验让学生初步感知：化学反应速率是受反应条件影响的，是可以调控的，为后面学习化学反应的速率與限度作了铺垫。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 13.

［2］人民教育出版社化学室编. 高级中学课本（甲种本）·化学第一册［M］. 北京： 人民教育出版社， 1983： 82～83.

［3］武永兴， 胡美玲等主编. 全日制普通高级中学化学教科书·（必修）第一册［M］. 北京： 人民教育出版社， 2003： 29～30.

［4］宋心琦主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学1（必修）［M］. 北京： 人民教育出版， 2007： 49～50.

［5］王晶， 郑长龙主编. 普通高中化学教科书·化学（必修）第一册［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 34～35.

［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］孟恬静. 钠与水反应实验的新设计［J］. 化学教学， 2019， （3）： 59～61.

［8］李顺巧， 龚英， 杨子慧等. 红外热成像仪下钠的性质及其热效应［J］. 化学教学， 2022， （2）： 74～77.

［9］巩永锐， 李忠恒， 周丽梅. 钠与水反应装置的趣味化改进［J］. 化学教学， 2021， （5）： 69～72.

［10］谢清秀. 基于“论证”视角的钠与水反应的实验探究［J］. 名师在线， 2020， （23）： 71～72.