钠与水反应的实验创新设计

陈俊娴 邱雨芳 刘鑫 刘晓玲 贾玉帅

摘要：“钠与水的反应”是高中化学重要的演示实验，教育功能突出。但教材实验中存在着反应速率过快、气体未经检验直接排放和存在安全隐患等缺点。因此，人们对该实验装置进行了改进，方案可分为：减缓速率型装置、微型化装置、趣味化装置和联通型装置四种类型。基于对各类装置的分析，采用联通型装置进行实验，创新性使用学生们童年回忆——泡泡胶来检验气体。改进后的装置具有简单、灵活、实验现象明显、安全性和环保性高、趣味性强等优点。

关键词：钠与水反应；实验改进；趣味化

文章编号：1008-0546（2023）12-0095-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.021

一、问题的提出

“钠与水的反应”属于高中必修阶段中“元素及其化合物”的知识内容，是高中化学中的重要演示实验。学生能基于该实验的现象和微观变化，推理出钠的相关性质和反应原理，在完成知识建构的同时培养学科思维，发展化学学科核心素养。人教版、苏教版、鲁科版三个版本教材均采用简易的方式呈现钠与水反应的实验，即向一只盛有水的小烧杯（或培养皿）中滴加几滴酚酞溶液，然后投入绿豆粒大小的金属钠（吸干煤油，并切去钠的表层）。

虽然教材装置与操作非常简单、现象明显、成功率高，但仍存在以下问题：（1）金属钠的性质活泼，与水反应剧烈，容易造成液体飞溅，存在安全隐患；（2）实验过程中用水量较大，反应的热量变化不易被察觉；（3）气体未经检验和处理，直接排放，不利于培养学生的绿色环保意识。

针对教材实验的不足，人们进行了多方面的改进：（1）增加气体收集与检验装置。采用密闭装置代替敞口装置进行集气，利用氢气的化学性质通过爆鸣法（将气体通入肥皂水，点燃肥皂泡）或燃烧法进行检验。（2）改进实验发生装置。根据改进目的和仪器的选择，可将改进方案分为减缓速率型装置、微型化装置、趣味化装置和连通型装置四种类型，并对教材实验及各类型装置在反应速率、实验现象、安全性、趣味性、环保性等方面进行了具体分析，见表1。

笔者认为“钠与水反应速率快”是金属钠还原性强的表现，可以不作减缓反应速率的处理，使用密闭装置，防止液体溅出，增强安全性。微型化装置简单、环保性强，值得借鉴，但由于试管、U 型管等仪器口径较小，金属钠游动范围小，现象不易观察且安全性较低。笔者选用50 mL 的锥形瓶作为反应仪器，其底部较宽，能够弥补上述不足。我们知道，联通型装置具备了实验现象明显、安全性高、趣味性强、环保性强的优点，因此，笔者设计了发生反应及收集气体一体化的联通密闭装置（如图1（a）所示）。由于氢气是一种易燃易爆的气体，直接点燃或用爆鸣法检验存在一定危险。因而可在反应后用注射器抽取密闭装置中的氢气，再进行点燃，增加安全性（如图1（b）所示）；同时，氢气是为数不多的、密度比空气小的无色无味气体，笔者使用童年玩具泡泡胶存储气体，采用“密度比较”的物理方法检验气体，兼顾了安全性和趣味性（如图1（c）所示）。

二、实验改进方案

1.实验原理

钠与水反应生成氢氧化钠和氢气：2Na+2H2O=2NaOH+H2↑

2.实验仪器及药品

（1）实验仪器：锥形瓶（50 mL）、烧杯（50 mL，2只）、导管、橡胶管、注射器（10 mL）、橡胶塞、水槽、镊子、滤纸、表面皿、小刀、酒精灯、铁丝、泡泡胶。

（2）实验药品：水、绿豆大小的金属钠、酚酞指示剂

（3）实验装置：如图1所示。

3.实验步骤

（1）反应过程

①取钠，用镊子夹取一小块钠，放在滤纸上吸干其表面的煤油，在表面皿上用小刀切去表面的氧化层，再切取绿豆大小的钠块，将钠块固定在铁丝上。

②将铁丝（固定有钠块）、导气管、注射器（内装有约1 mL蒸馏水）安装在橡胶塞上待用（如图2和图3所示），向锥形瓶中加蒸馏水至离瓶口2 cm处待用（使装上橡皮塞后，钠块底部不与水接触且尽量减少锥形瓶中的空气），向烧杯中加20 mL蒸馏水待用。

③检验装置气密性：将橡胶塞塞进锥形瓶瓶口（此时钠与水不接触），推动注射器杆芯，使注射器中的水完全进入锥形瓶。若锥形瓶内的水沿导管流入烧杯，且锥形瓶内水位不发生变化，则说明该装置的气密性良好。（可涂抹凡士林以确保装置气密性良好）

④推动铁丝，使金属钠与水接触发生反应，观察实验现象。

⑤反应结束后，触摸锥形瓶外壁，感知温度变化。

（2）检验过程

①向烧杯中滴加1-2滴酚酞溶液。

②点燃法检验：用注射器抽取瓶中的气体，用燃着的酒精灯点燃注射器针口处，小心推动注射器，并在注射器上方罩一干冷烧杯（如图1（b）），观察现象。

③趣味化检验：用注射器抽取瓶中的气体，在针口涂上泡泡胶，将注射器中的气体全推进泡泡胶中，取下后小心处理去除气泡外多余泡泡胶（如图1（c））。

4.实验现象

（1）反应过程：如图4所示。

①钠迅速融化成小球并从铁丝上掉落；水面及金属钠表面迅速产生气泡。

②金属钠浮在水面上游动，发出嘶嘶响声，最终消失。

③水从锥形瓶流入烧杯，锥形瓶内水位降低。

④锥形瓶外壁发热。

（2）检验过程

①烧杯中液体变红（如图5所示）。

②点燃法检验：抽取气体时，液体从烧杯回流至锥形瓶中；点燃气体，注射器针口处产生火焰，烧杯内壁出现一层白雾（如图6所示）。

③趣味化檢验：泡泡胶在空气中迅速上升，最终停留在空中（如图7所示）。

三、实验改进后的优势

1.实验装置简单、现象明显，大幅度提高安全性和环保性。改进后实验采用密闭装置，保留了教材实验的原有现象和优点，并能在防止液体飞溅的同时收集生成的气体；实验采用50 mL 的锥形瓶，使用试剂用量少，且能够保证实验现象明显，同时避免了微型化装置的危险，能够在实验过程中培养学生的安全意识和环保意识。

2.实验装置灵活，便于实际教学。实验改进的目的是更好地服务课堂教学，改进后的实验装置可根据教学与实验演示的实际需要，将反应的发生与气体的检验分步进行，留给教师更多的教学空间，更加灵活，实用性强。

3.增加课堂的趣味性和开放性。点燃法和爆鸣法是常见检验氢气的方法，“氢气密度小于空气密度”这一物理性质，为检验气体提供了新的思路，有利于培养学生的开放性思维。使用泡泡胶存放气体，也增加了实验的趣味性。

参考文献

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