钾和水反应实验的创新设计

2024-01-03江苏省南通市海门区包场初级中学226151江晓栋

中小学实验与装备 2023年5期

江苏省南通市海门区包场初级中学(226151) 江晓栋

1 问题的提出

现行的人教版高中化学教材必修1中关于钾和水反应实验,具体做法是把一些水放入烧杯内,再放入一块用滤纸吸干表面煤油的绿豆大小的钾,观察实验现象。待反应结束后,向烧杯中滴几滴酚酞溶液,观察实验现象。教材中对于该实验的现象是这样解释的:“K和H2O反应比Na和H2O更加剧烈,产生的热量能使H2燃烧,同时伴有轻微的爆炸声,说明K比Na金属性更强。”但有学生在观察完该实验后提出不同见解,他们认为:“K和H2O反应时,不一定是生成的H2在H2O的表面燃烧,也有可能是K和H2O反应时放热使K达到了着火点,是K本身在燃烧。”事实果真如此吗?带着疑惑,笔者对该实验进行了实证探索。

2 分析现状

笔者查阅了大量文献,发现关于K和H2O反应实验的学术论文并不多,而且这些论文提出的见解或多或少都存在一些问题。笔者按照齐俊林教师的实验方法进行实验时[1],发现K和H2O反应的瞬间,装置中的气球极易被烫坏造成实验失败;顾斌教师的实验方法[2]虽然有可能控制K和H2O反应产生的H2燃烧,但是很难得到纯净的H2,更谈不上检验H2。笔者认为,截至目前,一直没有解决通过实验加以收集检验K和H2O反应生成的H2的问题。基于此,有必要对实验做出进一步改进。笔者选用日常生活常见物品,对其进行巧妙的加工和处理,设计了简单、合理的创新实验装置,实验效果佳。

3 设计思想

现行的高中化学教材中关于K和H2O反应实验的设计有其所长,但没有证明产生H2,也没有证明是K和H2O反应产生的H2在燃烧,还是金属K熔化之后在燃烧。为此,笔者新设计的实验必须能说明2个问题:①K能和H2O反应,但其本身不燃烧;②K和H2O反应能够产生KOH和H2,产生的KOH用无色酚酞溶液来检验,产生的H2可以通过对其点燃来检验。所以,可以把实验分两步进行,先是K和H2O反应,然后是检验H2。

4 设计实验方案

根据实验设计思想,要确保K和H2O反应产生H2但不燃烧,必须使K和H2O在隔绝氧气的条件下反应,此外,产生的H2还可以通过实验来验证。由于K和H2O反应还会放热,且有H2产生,密闭环境中压强会发生改变,这就要求反应容器必须满足2个条件:①整个反应体系必须是密闭的;②可以自动调节反应容器内的压强。利用注射器的活塞可以来回移动可使反应容器(注射器)的内外压强保持平衡;两通玻璃管耐高温且透明可以确保实验装置的坚固性和可视性;橡皮塞可以使反应容器不漏气。通过对上述用品的处理和组装可以很好地达到实验装置既密闭又可以自动调整压强。

5 实验原理

(1)K和H2O反应:2H2O+2K=H2↑+2KOH

(3)酚酞溶液变色:KOH溶液使酚酞溶液变红。

6 实验过程

6.1 实验用品

洗衣液、酚酞溶液、蒸馏水、金属钾、打孔器、1支胶头滴管、1根玻璃棒、1个蒸发皿、1把小刀、1块玻璃片、1盒火柴、1盏酒精灯、3根大号注射器针头、2个3号橡皮塞、1根两通玻璃管(φ2 cm×12 cm)、2支注射器(50 mL)等。

6.2 加工和组装仪器

(1)用打孔器在1个3号橡皮塞的小头端打一个直径4 mm、深度4 mm的凹形小孔洞,把1根大号注射器针头从橡皮塞的大头端插入,使针尖的下端穿出后刚好与橡皮塞的小头端凹形小孔洞在同一平面内,如图1所示。

图1 打孔、穿出示意图

(2)用小刀切一块绿豆大小的K,将其放入橡皮塞的凹形小孔洞内(使K充满整个孔洞,排尽孔洞内空气),让注射器的针尖穿过K并把针孔露出来,如图2所示。

图2 钾装入孔洞内示意图

(3)把1个3号橡皮塞塞在1根两通玻璃管的下口处,从橡皮塞的大头端中央穿入另一根大号注射器针头;把吸满滴有酚酞试液的蒸馏水的注射器与该针头连接好。缓缓推动注射器活塞,让少许酚酞与蒸馏水的混合液流入两通玻璃管内;向两通玻璃管内用胶头滴管滴入酚酞与蒸馏水混合液至距离管口约3 cm处。再把两通玻璃管的上口处塞上带有K的橡皮塞,如图3所示。

图3 连接好的装置

6.3 实验操作与现象

(1)K和H2O反应:如图4所示,组装好仪器后,用力推注射器1的活塞,让酚酞和蒸馏水的混合液充满两通玻璃管,把空气排尽,待液体与孔洞里的K接触时,反应立即发生:2H2O+2K=H2↑+2KOH,发现K熔化成一个小球从孔洞中掉落下来漂浮在水面上,无声的快速移动,溶液变成红色(此时,用手紧握注射器活塞不动),说明K和H2O反应产生KOH。待生成的气体排尽两通玻璃管里的空气时,立刻连接注射器2与两通玻璃管上口胶塞,此时反应仍在发生,生成的气体被密封在注射器2与两通玻璃管内。