钠与水反应可视化实验改进

胥迎

摘要：一般地，对“钠与水反应”产生氢气的实验改进方法，主要为点燃气体或者用肥皂泡进行验证，此方法可操作性不强，且有一定安全隐患。本实验利用探针式温度计和便携ADKS-1检漏仪，设置一套多功能数字化实验装置，集气体发生、收集、检验于一体，具有可视性强、安全性高、操作便捷等特点，希望为一线教师提供一定的帮助。

关键词：实验改进；探针式温度计；便携ADKS-1检漏仪；可视化

文章编号：1008-0546（2023）07-0092-02 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.018

一、 “钠与水反应”实验改进的背景

现行人教版、鲁科版、苏教版三个教材版本中，钠与水的反应实验均采用敞口的实验装置。人教版教材中的实验是在装有水和酚酞的烧杯中放入绿豆大小的钠，可观察到钠块浮在水面上，熔化，迅速游动，溶液变红，并发出嘶嘶声响。[1] 虽然，现象具有一定的可视性，也能一定程度说明钠的化学性质，但仍存在以下不足：（1）安全性不高：钠与水反应十分剧烈，反应在敞口烧杯中进行，容易发生液体飞溅。实验过程中还会生成白色烟雾状物质-被水蒸气带出的氢氧化钠。[2] 在敞口的实验条件下，人体吸入碱性物质具有一定的危害，存在安全隐患。（2）气体验证性不足：在教材实验中，是产生了气体推动钠块游动，还是反应放出大量的热推动钠块，难以验证。并且，敞口容器无法收集并检验气体，得出气体是氢气的结论缺乏说服力。（3）可视性不强：反应过程中温度的变化和产生的气体难以观察到，可视性不强。

二、 “钠与水反应”实验装置改进及实验过程

1. 实验原理

钠与水反应生成氢氧化钠和氢气：2Na+2H 2 O =2NaOH + H 2 ↑。氢氧化钠为强碱，可用指示剂酚酞检验。该反应为放热反应，探针式温度计可以检测反应过程中的温度变化。该反应产生氢气的量少，且氢气密度低，很容易扩散到空气中，点燃等方法较难验证氢气。便携 ADKS-1 检漏仪能检测 0-10000 μmol/mol（ppm）的氢气，灵敏度极高，当检测扩散到空气中的氢气时，还能发出报警声，进行警示。（H 2 ∶1 ppm=1 mg/L=0.0005 mol/L）

2. 实验计算

锥形瓶（150 mL = 0.15 L）

生成氢气体积≤ 150 mL

氢气密度 = 0.0899 g/L = 89.90 ppm

n（氢气）=（0.0899 g /L）×（0.15 L）÷（2 g/mol）=0.0067 mol

m（鈉）= 2 × n（氢气）×（23 g/mol）= 0.3101 g

选取钠质量≤ 0.31 g

3. 实验装置及试剂

（1）实验仪器

镊子、滤纸、电子天平、小刀、150 mL锥形瓶、长颈漏斗、转角管、橡皮管、止水夹、尖嘴导管、探针式温度计（见图1）、便携ADKS-1检漏仪（见图2）。

（2）实验试剂

蒸馏水、酚酞、煤油、一颗约为0.31g大小的钠。

（3）实验装置

4. 实验步骤及现象

（1）实验步骤

①检查气密性：关闭弹簧夹，从长颈漏斗处倒水，若形成一段稳定的水柱，则证明装置气密性好。

②加水：往锥形瓶中加水至锥形瓶2/3处，往水中加入2到3滴酚酞，充分混合。

③加煤油：用胶头滴管加入两滴管的煤油，可以看到明显的分层。

④记录最初温度：将探针式温度计插入煤油和水面之间的位置，记录最初的温度T 1 。

⑤放钠：关闭弹簧夹，用镊子取切割好的钠投入到锥形瓶中，马上塞住橡皮塞。[3]

⑥检测：反应一段时间后，记录探针式温度计温度T 2 。打开弹簧夹，将便携ADKS-1检漏仪探头对准尖嘴导管。

（2）实验现象

煤油与水分层，且水层在煤油下面。加入钠块后，钠处在水和煤油中间。反应时，钠在煤油和水面上下跳动。随着反应进行，水逐渐变红，钠块逐渐熔化消失。探针式温度计初始温度T 1 为28.5 ℃，结束后温度T 2 为31.5 ℃，长颈漏斗液面逐渐上升。打开弹簧夹，长颈漏斗液面下降。便携ADKS-1检漏仪指示灯闪烁变红，发出报警声，进行警示。电子屏幕上开始显示氢气数值，且最大值为2899 ppm。

5. 实验结论及创新点

实验的创新点如下（1）密度可视化：钠处在水和煤油中间，可以直观比较三者密度的大小。（2）温度可视化：用探针式温度计可以直接观察反应过程中温度的变化。（3）气体可视化：关闭弹簧夹时，长颈漏斗液面上升，可感知锥形瓶内产生了气体而导致压强变大。打开弹簧夹后气体检测器进一步数字化地验证了氢气的产生。（4）实验安全化：采用水、钠、煤油混合体系，可以减缓钠与水反应的剧烈程度，进而使氢气缓缓产生。用气体检测仪检验氢气，相较传统“点燃气体”和“点燃肥皂泡”的方法，更具有安全性。（5）实验灵敏性高：传统的实验，很难将氢气点燃。一方面产生的氢气带有水蒸气，不干燥。另一方面，氢气的密度很小，很容易扩散到空气中，加之量少，很难点燃。而1 ppm H 2 =1 mg/L=0.0005 mol/L H 2 ，检测仪能灵敏地检测到0-10000 μmol/mol （ppm）的氢气，需要的量极少，灵敏度极高。

三、实验的后续运用

1. 气体检测多样性

当传统的化学方法检测气体存在安全隐患，或实验现象不明显时，可以考虑用数字化的实验仪器进行验证，安全性高，特征性强。本实验采用四合一气体检测仪，除了能检测氢气外，还能检测中学阶段常见的硫化氢、一氧化碳、天然气等气体。除四合一气体检测仪外，还有专一性的气体检测仪，特征性检验气体。比如氢气检测仪只能检验氢气，硫化氢气体检测仪只能检测硫化氢。专一性气体检测仪可定制，比如二氧化硫、氯化氢、磷化氢等气体。专一性气体检测仪较四合一气体检测仪价格昂贵。如果不存在干扰性气体，可选用四合一气体检测仪，如果检测气体混有其他干扰性气体时，则需选择专一性气体检测仪。

2. 使用场所广泛性

除中学实验室可使用气体检测仪外，在需要制备或使用氢气的大学实验室中也会安装气体检测仪，检测气体是否泄漏，从而保证实验室安全。在日常生活中，比如加油站甚至家庭厨房也可安装，从而保证可燃性气体的使用安全。

参考文献

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心. 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.

[2] 魏毅鸣，杨晓丽. 关于钠与水反应生成的白色烟雾的实验探究[J]. 化学教学，2019（1）：64-67.

[3] 叶永谦，张贤金，吴新建. 钠与水反应实验的再设计及多种教学运用[J]. 化学教育（中英文），2018，39（7）：60-62.