钠与水反应装置的趣味化改进

巩永锐　李忠恒　周丽梅

摘要：采用小试管、透明中性笔、肥皂泡、煤油等一系列常见用品对钠与水反应装置进行改进，改进后的装置不仅能验证氢气的产生，同时还能比较钠、水、煤油三者的密度。改进后的实验有现象明显、易于观察、装置简单、趣味性强等特点。

关键词：钠与水反应;装置改进;实验改进

文章编号：1005-6629（2021）05-0069-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1教材实验分析

鲁科版和人教版高中化学教材对钠与水反应的实验均采用了最简单的实验方案，即在敞口的烧杯中滴加几滴酚酞试剂，然后将绿豆大的钠粒投人水中，根据溶液颜色的变化可知有NaOH生成。然而，推动钠粒四处游动的H₂却只能根据氧化还原理论加以推导得出，无法验证H₂，缺乏说服力。

2改进实验分析

针对教材中实验装置的不足，许多化学教育工作者进行了多方面的改进，比较有代表性的有以下四类。

方案一：装置如图1所示。切一块略大于漏斗颈内径的钠块，置于漏斗中。向盛有水的培养皿中滴入2～3滴酚酞指示剂，将装有钠的漏斗倒扣入培养皿中，观察现象。点燃漏斗尾部，看见燃烧现象，取干燥的烧杯置于火焰上方，烧杯内壁有水珠生成。

方案二：装置如图2（a或b）所示。向大试管中加入适量水，液面与瓶塞针尖齐平或略低，小烧杯中加入约30mL肥皂水。瓶塞刺穿器前端有中空的金属针头，取下连接有金属针头的橡胶塞，用针尖扎入一小块钠，盖回试管，产生的气体通过针尖前端的小孔进入输液软管，到达右边的烧杯。反应结束后，用燃烧的火柴靠近肥皂泡，观察现象。

方案三：装置如图3所示。截去塑料瓶底，将瓶盖扎一个小洞，使玻璃导管恰好穿过小孔。向三颈烧瓶内加入适量蒸馏水，关闭尖嘴管活塞，检验气密性后，向三颈烧瓶内滴入2～3滴酚酞指示剂，将502胶水处理过的小块钠投入三颈烧瓶内，尖嘴管涂抹适量肥皂泡，观察现象。

方案四：实验装置如图4所示。取一块金属钠，擦干煤油后，用电子天平准确称量0.41g。连接装置，检查装置的气密性。用注射器向温度传感器尖端的钠粒滴加水溶液，用华为闪拍技术记录钠融化的整个过程。钠跌落后，先打开弹簧夹排尽集气瓶内空气，再关闭弹簧夹，使内部气压逐渐变大，进而形成“喷泉实验”，最后用燃着的木棒检验水槽内冒出的气泡。

以上四种方法都采用酚酞指示剂检验氢氧化钠，但氢气的验证方法、实验装置的复杂性、操作难度、成功概率、安全性、趣味性等方面均存在较大差异。其优缺点分析如表1所示。

综上所述，四个改进实验各有利弊。方案一装置简单，操作简便，成功率高，但装置缺少趣味性。方案二中瓶塞刺穿器将针、导气管作用合二为一，旧物利用，比较环保。但中空针尖的气孔过小，输液软管过细，取用钠块时可能会堵塞输液软管，或者产生氢气的速率过快，无法及时排出，存在一定的安全隐患。方案三能从三颈烧瓶内金属钠的游动、尖嘴管末端气泡产生、喷泉实验等多方面验证了气体产生，具有趣味性。然而装置对气密性要求过高，喷泉现象不易产生，同时与三颈烧瓶内壁相接的尖嘴管需要定制，部分偏远山区学校较难满足实验条件。装置四利用温度传感器定量地感知反应前后温度的改变值，烧瓶内气压的增大同样能形成喷泉实验，运用华为闪拍技术可观察到反应过程中钠的变化，根据集气瓶的大小能近似计算所需金属钠的质量，比较节约药品。但“喷泉现象”不易产生，温度传感器、华为闪拍技术等现代化实验技术很多山区学校并不具备，实用性不强。

3钠与水反应装置趣味化新设计

基于上述分析，笔者决定取其精华，采用学生生活常见物品设计出一种鈉与水反应的新装置，使其更加具有趣味性和安全性，让每位学生都能参与到装置的组装与实验的设计，直观感受氢气的生成。

3.1仪器与试剂

仪器：铁架台（带铁夹）、小试管一支（10mm×100mm）、小刀、镊子、滤纸、透明中性笔一支（外径略小于10mm）、玻璃棒、两支注射器

试剂：钠、酚酞指示剂、蒸馏水、煤油、肥皂水

3.2实验操作及现象

（1）用带铁夹的铁架台固定住一支小试管，先用一支注射器向小试管内加入3mL左右的蒸馏水，滴入一滴酚酞指示剂，接着再用另一支注射器向小试管内注入约2.5mL煤油。

（2）将中性笔笔芯抽去，笔身部分塞入小试管内，将中性笔尖端涂抹上肥皂水。

（3）用镊子将金属钠从煤油中取出，用滤纸吸干表面的煤油，再用小刀切一块绿豆粒大小的钠。

（4）将钠块从笔管上部投入试管后，迅速将涂有肥皂水的笔尖装在笔管上。钠缓缓地在煤油里下沉，到了煤油与水的接触界面时，钠与水反应产生气泡，气泡在煤油里面逐渐上升，浸有肥皂泡的笔尖产生了气泡。同时，钠在气体的推动下从煤油里逐渐上升，到距离煤油液面约0.5 cm的位置，又在重力作用下再次下沉，如此循环往复，钠在煤油层中“上下舞动”。钠与水接触，界面处水溶液变红，钠与水每接触一次，可见到溶液变红的区域逐渐扩大。装置如图5所示。

3.3实验结论

（1）钠与水接触后逐渐融化成一个光亮的小球，说明该实验放热，钠的熔点比较低;钠能沉入煤油底部，与水反应后却没有在重力的作用下继续下沉，而在生成气体的推动下回到了煤油中，说明p（水）>p（钠）>p（煤油）;滴有酚酞的水溶液变红，说明反应后有碱性物质生成。

（2）用玻璃棒将笔尖处变大的气泡拨向空中，用燃烧的火柴靠近气泡，听见“啪”的爆鸣声，证明该气体是氢气。

反应的化学方程式：2Na+2H₂O=2NaOH+H₂↑

3.4实验注意事项

（1）试管中水和煤油的量一定要适中，太少了不易观察到钠在煤油层中“上下舞动”的实验现象，且钠浮到煤油层顶部和空气接触会引发其他副反应。

（2）钠的量不宜过多，一般切绿豆粒大一块即可。太大了反应过于剧烈，存在一定的安全隐患;太小了不易产生足够的氢气气泡，难以验证氢气的产生，同时钠在煤油中上升的高度也会不明显。

（3）将钠投人试管后，应迅速将浸有肥皂泡的笔尖部分套上笔身，避免氢气逸出，导致检验时气泡不够多。

（4）检验氢气时用玻璃棒将气泡拨离笔尖，再用燃烧的火柴靠近气泡，而不能直接在笔尖点燃，防止火星掉入笔筒煤油中引起意外燃烧。

3.5实验总结与评价

（1）本实验最大的创新点在于装置非常简便，用中性笔作为实验装置的一部分，拉近了化学与实际生活的距离。其可操作性极强，尤其适用于偏远山区基础设施较落后的学校。

（2）将钠投入试管后，钠与水接触出现在煤油中“上下舞动”的场景，充分激发了学生的思维与想象力，增强实验的趣味性，也加深了对钠、水、煤油三种物质密度相对大小的认识。

（3）钠在与水接触后会迅速上升，这样就不会持续地产生气泡，大大减缓了反应速率，不断在笔尖端处涂抹上肥皂水，气泡间歇性生成，可以重复多次用爆鸣实验验证气泡，也可在笔尖端处用小试管收集气体后再检验。

（4）实验装置组装简便，原理简单，气密性良好，实验成功率很高。不仅适用于教师的演示实验，学生也可以在教师的指导下选择合适的笔管自主进行实验。

（5）实验现象生动有趣。趣味实验不仅可带给学生乐趣，还会引发学生的好奇心，有利于开拓学生的思维，提高学生的实践能力和创新能力。