浅析金属钠与水全反应方案设计与实现

徐佳+吴明

金属钠与水反应是高中化学重要实验之一。高中教材中的实验设计基于教师课堂演示，不利于学生自己动手操作；现有改进方案多集中在反应容器和对NaOH的验证，没有涉及对反应生成物H2的验证，部分仍存在安全性。受医用吊瓶注射器和家用燃气灶点火器启发，对金属钠与水反应方案进行了重新设计，采用通过吊瓶导管和针头连接的2个矿泉水瓶作为反应容器，不仅能清楚观察到气体的生成并对其溶解性进行验证，而且可避免空气和H2混合气体的生成，提高系统安全性；通过吊瓶导管和针头将产生的H2在玻璃瓶中通过直流点火器进行燃烧，可实现对钠与水反应生成物的H2的安全验证。新的实验方案，效果明显，成功率高，安全可靠，实验设备易于获取，有利于培养同学们的探究精神。

钠水反应实验改进直流点火器高中化学实验金属钠与水反应是高中化学重要实验之一，但现有高中教材中的钠与水反应实验设计是基于教师在课堂上进行演示，如果要同学自己动手进行钠与水反应实验，无论是实验器材还是安全性以及对反应产物验证方面均存在许多问题，因此很多老师和同学对教材上的钠与水反应方案进行了改进。但现有改进方案多集中在反应容器和对NaOH的验证方面，没有涉及对H2的验证；部分改进方案仍然存在产生空气和H2混合物的可能性，安全问题无法保证；所用实验设备多为实验室专用仪器，不便于进行大规模实验和培养大家的动手能力。受医用废弃注射器和家用燃气灶点火器的启发，我对金属钠与水反应方案进行了重新设计，不仅可对钠与水反应产物全部进行验证，而且提高了实验安全性和进行大规模实验的可能性。

一、实验原理

2Na+2H2O=2NaOH+H2↑

2H2+O2=2H2O

由上述化学反应方程式可知，金属钠与水反应生成NaOH和H2，NaOH溶于水可通过酚酞溶液验证，H2可通过在空气中燃烧生成水进行验证。

二、实验方案设计

我的设计的实验方案不仅考虑到NaOH的验证，还考虑到H2的验证，而且考虑到实验的安全性和实验器材的容易获取。实验主要器材均采用现有废旧物品，如饮料瓶、医用注射器及其导管等，便于大量制作，可以使同学们进行自主实验，实验方案示意图如图1所示。

清凉油盒用于固定金属钠，防止其在水中游走，同时将清凉油盒钻多个小孔，用大头针或细铁丝与其连接；两个饮料瓶作为钠与水反应的主要容器，分别在底部钻孔，用塑料胶将注射器管粘牢，确保不漏气、不漏水，注射器之间用白色透明导管连接，其中一个饮料瓶放置高于另一个饮料瓶；选择一个合适的软木塞，将连接清凉油盒的细铁丝插入软木塞，将软木塞和清凉油盒塞入其中一个饮料瓶，确保其不漏水、不漏气；广口玻璃瓶用于进行H2的燃烧试验，口向下，用软木塞塞入，软木塞分别插入直流点火器两电极，电极之间插入注射器针头，同时软木塞还要插入一直管用于空气的补充和H2燃烧生成的水的流出。

三、实验用品

1.实验器材

脉动饮料瓶2个，广口玻璃瓶1个，清凉油盒1个，注射器2支，废吊瓶导管及针头2套，塑料胶水，软木塞3个，直流点火器及导线若干，铁丝，夹子，镊子，滤纸，小刀，小钢钉，5号电池2节，钳子等。

2.实验藥品

金属钠，酚酞溶液，蒸馏水。

四、实验步骤

1.将2个饮料瓶分别置于不同高度，其中一个饮料瓶约高于另一个饮料瓶50%高度，分别注入蒸馏水，使其中处于低处的饮料瓶中蒸馏水刚好溢出；

2.将酚酞溶液滴入将要放入金属钠的饮料瓶中；

3.从煤油中取一小块金属钠，用卫生纸吸干其表面煤油，切去表面的氧化膜后立即放入带孔清凉油盒，快速将与清凉油盒连接的软木塞塞入装满蒸馏水的饮料瓶中；

4.此时可以看到密闭饮料瓶中水位逐渐下降，另一个饮料瓶中水位逐渐上升，说明产生大量气体，待液位下降到低于清凉油盒时则不再下降，说明反应停止；发现溶液变红，说明产生了碱性物质，可以推测是NaOH；

5.将两端连接注射针头的导管中间用夹子加紧保证其不通气，一端针头通过软木塞插入产生气体的饮料瓶中，另一端插入广口玻璃瓶软木塞中，接通直流点火器电源，松开导管夹子，可观察到玻璃瓶中针头处有淡蓝色火焰，玻璃瓶中有水珠产生，说明产生的是氢气；

6.随着燃烧的进行，装有钠的饮料瓶水位开始上升，如果装入的钠较多，此时反应继续，继续产生氢气，形成稳定气源，直至钠与水完全反应；

7. 在第6步中如果将导出气体的开关关闭，由于氢气的产生将水通过导管流到另一个瓶子中形成喷泉，可增加实验趣味性（实际实验装置如图2所示）。

五、实验方案分析

对比我所设计的钠与水全反应方案与已有实验改进方案，存在如下优点：

1.采用矿泉水瓶作为反应容器，取材容易；通过导管将两个矿泉水瓶连接成U型管，易于排出反应容器中的空气，防止H2和空气混合气体的产生，提高了实验安全性；

2.用注射器针头导出氢气，操作简单、安全；氢气的检验采用直流点火器点燃，安全性好，现象明显，效果好；

3.金属钠被密闭在清凉油盒内，不与水直接接触，可以很方便的塞进软木塞；通过导管将两个矿泉水瓶连接成U型管，金属钠的量可以多些，一次装入可以进行多次反应，增加实验的趣味性；

4.装置简单，便于学生自己制作装置进行分组实验，培养了学生的动手能力；

5.电子点火器的引入，将物理实验与化学实验联系起来，有利于同学们对物理知识与化学知识的融合；

6.实验装置的改进激发了同学们的创新精神，并强化了大家的安全意识，有利于培养我们实事求是的科学态度和观察问题、分析问题、解决问题的思维品质。

实验方案存在的主问题要是电子点火器的获取，社会上没有太多废弃煤气灶可利用，购买新的电子点火器虽然不贵（10元左右）但无形增加了实验成本；实验中多处使用了注射器针头，需要同学们小心操作否则易刺破手。

化学是一门以实验为基础的科学，化学实验具有区别于其他学科的独特作用。通过实验不仅可以培养我们细致观察的习惯，而且可以训练我们通过实验现象进行合理假设并对假设进行验证的科学素养。

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究所.化学（1）.人民教育出版社，2013.49-50.

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[4]崔领斌，杨芳恒.《高一化学<钠与水反应实验>》的创新与改进[J].考试周刊，2015，（97）：151.