过氧化钠与水反应实验的改进及教学实践

叶永谦 吴新建 张贤金

摘要：  针对过氧化钠与水反应演示实验中酚酞退色以及超出高一学生认知水平的问题，巧用棉花减少酚酞与过氧化氢的接触、使用大量冷水稀释氢氧化钠溶液降温以减少反应放热的影响，破解同一团棉花既要泡在冷水中又要剧烈燃烧的难题，设计出符合学生认知水平、现象明显的新方案。发现作为可燃物参与燃烧、高温下过氧化钠超强的腐蚀作用是导致酚酞无法显色的可能原因。把研究过程中的真实情境案例应用于不同教学阶段的实践，有利于构建素养为本的高效课堂。

关键词：  过氧化钠与水反应； 酚酞退色； 实验改进

文章编号： 1005-6629（2024）05-0068-03

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  问题提出

过氧化钠作为学生进入高中阶段接触到的第一种过氧化物，其与水反应的性质和应用可以作为情境素材，在素养为本的课堂教学中发挥重要作用［1］。关于该实验的演示方案，2007年人教版高中化学教材必修１［2］表述如下：把水滴入盛有少量过氧化钠固体的试管中，立即把带火星的木条放在试管口，检验生成的气体。用手轻轻摸一摸试管外壁，有什么感觉？然后向反应后的溶液中滴入酚酞溶液，有什么现象发生？2019年人教版高中化学教材必修１［3］描述为：将1至2mL水滴入盛有1至2g过氧化钠固体的试管中，立即把带火星的木条伸入试管中，检验生成的气体。用手轻轻触摸试管外壁，有什么感觉？用pH试纸检验溶液的酸碱性。

两个版本教材中关于过氧化钠与水反应的演示方案略有不同，其中最大的区别是采用不同方法检验氢氧化钠的生成。新教材使用pH试纸而不用酚酞溶液检验氢氧化钠的生成，其原因与演示过程中酚酞先变红后迅速退色有关。酚酞退色的原因与产物中有过氧化氢生成有关，但该知识超出高一学生的认知范围［4］，因此只好舍弃酚酞溶液而选用pH试纸。但是，从学生的认知水平出发，检验碱性物质的最直接答案还是酚酞是否变红。蒋小刚老师认为，元素化学是培养核心素养的重要载体，对于高一学生而言，学习存在诸多困难，教学中应该根据学生的认知水平构建有效的认知模型［5］。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》明确指出：要能根据文献和实际需要提出探究课题，能对实验中的异常现象和已有结论进行反思、提出质疑和新的实验设想，并付诸实施［6］。如何直面学生的问题，基于学生的认知水平，使用酚酞溶液有效检验过氧化钠与水反应的碱性产物，成为值得研究的真实情境课题。

2  方案设计

过氧化钠与水反应演示实验中酚酞之所以退色，与诸多因素有关。一般认为，过氧化钠与水反应分为两个过程，首先是过氧化钠与水反应生成氢氧化钠和过氧化氢，然后是过氧化氢分解为水和氧气。其中，过氧化氢的生成、氢氧化钠浓度过高和反应放热是导致酚酞退色的主要原因［7］。因此，实验的改进主要从三个方向进行：一是如何尽量减少酚酞与过氧化氢的接触；二是如何避免氢氧化钠浓度过高；三是如何减少反應放热的影响。

2.1  通过棉花吸附减少酚酞与过氧化氢的接触

棉花作为一种纤维素，具有蓬松的结构和较强的吸附性，可以作为减少酚酞与过氧化氢接触的有效载体。实验时往包有过氧化钠的棉花上方滴加酚酞溶液，在溶液的下渗过程中，少量酚酞吸附在棉花上方，与产物中的氢氧化钠接触变色。而更多的液态产物（含有过氧化氢等）继续下渗到垫层的棉花上并被吸附住，以减少酚酞与过氧化氢的接触的效果。2019年人教版高中化学教材必修１课后习题也使用棉花包裹过氧化钠滴水生火作为拓展实验，但该实验存在棉花无法顺利燃烧等问题［8］，故需要再设计成功率更高的实验方案。

2.2  通过冷水降温减少反应放热的影响

课堂演示使用的试管实验放热明显，所以让学生用手触摸体验，但温度的升高正是导致酚酞退色的原因之一。课后拓展实验中棉花燃烧起来，温度更高，更不利于观察到酚酞变红的现象。如何在以上棉花包裹过氧化钠的基础上，做到既能观察到棉花剧烈燃烧起来，又能观察到燃烧后酚酞还能呈现红色？这个相互矛盾的要求成为设计的难点。为了解决这个问题，设想让包有过氧化钠的棉花团漂浮在冷水中，露出水面的棉花可以燃烧，浸入水中的棉花则利用冷水的降温作用不让酚酞退色。同时，大量冷水也可以稀释反应产物氢氧化钠的浓度，避免因其浓度过高导致酚酞退色。

2.3  通过热量积蓄解决燃烧和降温的矛盾

上述包有过氧化钠的棉花团浸入水中部分降温容易实现，但同时要让露出水面的部分燃烧起来，则必须控制棉花团接触冷水的时机。只有让该棉花团在接触到大量冷水之前先积蓄足够热量，才能顺利燃烧起来。为此，可以利用“滴水生火”的原理先往包有过氧化钠的棉花上滴几滴酚酞，让反应进行一段时间，待积蓄足够热量后再将棉花团放在冷水水面上，达到露出水面的棉花团燃烧起来的目的。

3  实验演示

实验演示时，先用棉花包裹过氧化钠粉末，往棉花滴几滴酚酞溶液，等待一定时间积蓄热量，再使棉花团漂浮在冷水水面上，可以达到预想的设计效果。但要使冷水水面上的棉花团燃烧起来，过氧化钠的用量、酚酞溶液的用量和积蓄热量的时间等都需要不断调整。经过反复试探，可以重复再现的课堂演示实验方案阐释如下。

3.1  药品的准备

往1000mL规格的大烧杯中加入200mL冷水备用，200mL的冷水除了可以降低体系的温度，还降低了过氧化氢的浓度和氢氧化钠的浓度，有利于酚酞保持红色不退。将一团棉花平铺成直径约为10cm、高度约为2cm的烧饼状，往烧饼状棉花中心放两药匙（约5g）过氧化钠粉末。将烧饼状棉花从边沿往中间卷成团，过氧化钠被包在棉团中心如包子状。

3.2  酚酞的滴加及热量的积蓄

往包子状棉花团正中心上方滴5滴酚酞溶液，静置60秒。酚酞不能滴太多，否则棉花过于潮湿不利于后期的燃烧。当酚酞滴到棉花中心的瞬间，接触的位置立即变为红色。60秒后棉花上的红色没有消失，反而更加明显，证明有碱性物质生成。经过60秒时间的反应，棉花团内部已经积蓄了较多热量。

3.3  棉花的燃烧及酚酞的显色

滴加酚酞60秒后，用镊子夹住棉花团的中间变红处竖直提起，轻放在烧杯中的水面上。竖直提起的目的在于让棉花上部不滴有酚酞的位置朝上方便观察，且可以防止过氧化钠从棉花团脱离。棉花团接触到水面后，下部立即润湿。大约5秒后，棉花团瞬间燃烧起来，形成剧烈的视觉和听觉冲击。水面上的棉花燃烧后，包在水面下棉花内的过氧化钠继续与水反应，有气泡冒出。最后，气泡不再出现，过氧化钠与水完全反应，烧杯中的溶液呈现明显红色。使用玻璃棒搅拌反应后的溶液，红色未见明显变化。

4  教学实践案例

改进后的实验方案在不同教学阶段巧妙运用，可以充分发挥其作为真实情境素材的独特育人功效。

4.1  高一演示实验：获得核心知识，破解思维定势

高一必修1新授课时演示该实验，应注重引导学生观察酚酞的变红以及棉花的剧烈燃烧，获得过氧化钠与水反应生成氢氧化钠和氧气的核心知识。其中棉花瞬间剧烈的燃烧，可以作为有氧气生成的直接证据。通过与未包裹过氧化钠的棉花的燃烧对照实验，发现包裹过氧化钠的棉花燃烧时特别剧烈，而且是瞬间燃烧，现象与带火星的木条靠近氧气的瞬间燃烧相似。同样道理，在铝箔上加热金属钠制备过氧化钠过程中，出现的燃烧是平缓的［9］。往该实验中刚出现的淡黄色固体上滴加酚酞溶液，则出现瞬间剧烈燃烧的现象，其原因就是反应产物中有氧气瞬间生成。通过类比，理解了检验氧气的生成一般要用带火星的木条的做法。同时，引导学生关注有效灭火的问题，明白水有时也能生火，且可能导致更大火灾的严重后果。在破解灭火只能用水的思维定势的同时，培养学生使用化学知识解决实际问题的自觉性，增强社会责任感，同时激发其学习化学的兴趣。

4.2  高二播放视频：关注反应历程，培养证据意识

高二《化学反应原理》关于反应历程新授课时，可播放該实验视频，特别是关注实验中少量过氧化钠脱离棉花漂浮在水面上与水反应时，有气泡冒出但周边溶液未见变红的异常现象，引导学生分析反应产物中过氧化氢的存在原因，进而得出过氧化钠与水反应是分两步进行的。同时，请学生设计实验方案，验证反应后的溶液中是否存在过氧化氢（如加入二氧化锰等催化剂、观察是否有气泡冒出等），培养学生的质疑精神和证据意识。

4.3  高三再现视频：评价实验方案，发展综合素养

高三阶段复习到过氧化钠性质时，可以再现该实验视频，并与教材中的演示方案、课后拓展实验分别进行对比，引导学生评价三个实验的优点和不足，发展学生的实验评价能力。同时，引导学生从有机物的结构和性质维度关注酚酞的退色问题，分析其退色的可能原因（溶液的碱性太强、过氧化氢的生成、反应放热等），再次破解酚酞遇碱一定变红的思维定势问题。在视频播放中，引导学生特别关注酚酞变红的时机并分析可能的原因。可以发现，溶液变红是在燃烧快结束时出现的。

溶液之所以在反应后期变红，其原因可能有二：一是酚酞被燃烧导致无法显色，从酚酞的组成看，分子式为C20H14O4的有机物是可以参与燃烧的，棉花燃烧时酚酞也可能被燃烧掉，当然无法显色；二是酚酞被高温下的过氧化钠腐蚀而无法显色，棉花燃烧时温度高，此时过氧化钠具有很强的腐蚀性［10］，酚酞因被腐蚀而无法显色。当燃烧即将结束时，过氧化钠不断减少且温度降低，剩余的酚酞（未参与燃烧和未被腐蚀）与溶液中的氢氧化钠接触，慢慢显出红色。为了验证以上观点，可以将酚酞溶液直接滴到铝箔上高温燃烧着的钠块上，发现刚滴入酚酞出现瞬间剧烈燃烧时酚酞溶液未见变红，说明酚酞参与了燃烧过程且被完全燃烧了。通过以上推断得出新结论的同时，有效拓宽了学生的视野，有利于其综合分析能力的提高。

过氧化钠与水反应过程中酚酞的退色可以作为一个现象干扰问题进行回避，也可以作为真实的情境素材进行开发运用。以上实验设计的初衷，在于解决学生提出的为什么不用酚酞检验氢氧化钠的问题。本研究通过直面问题设计出新的实验方案，并在不同的教学阶段予以实践，对于构建素养为本的高效课堂具有一定的借鉴意义［11］。特别是面对同一团棉花既要泡在冷水中接触反应又要剧烈地燃烧起来的设计难题时，经过反复试探终获成功的案例，以及关注变色时机，发现燃烧和高温下过氧化钠的强腐蚀作用是导致酚酞无法显色的主要原因的探究过程，对于发展学生敢于质疑、勇于实践、善于创新的化学学科核心素养具有积极的促进作用。

参考文献：

［1］许志勤. 让“异常”实验现象发挥教学功能——“过氧化钠与水反应的实验探究”教学案例与分析［J］. 化学教学， 2013，（10）： 58～60.

［2］宋心琦， 王晶， 郑长龙主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学1［M］. 北京： 人民教育出版社， 2007： 53.

［3］王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·化学1［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 35.

［4］吕秀丽. 过氧化钠与水反应过程中酚酞褪色的新释疑［J］. 化学教学， 2005，（3）： 7～8.

［5］蒋小钢. 基于建构认知模型的元素化学教学策略与实践［J］. 化学教学， 2020， （11）： 27～32.

［6］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［7］袁畅. 对过氧化钠与水反应异常现象的深度探究［J］. 中学化学教学参考， 2019， （13）： 63～65.

［8］王立超. 过氧化钠与水“滴水生火”实验的思考与改进［J］. 化学教与学， 2010， 277（1）： 53.

［9］［10］叶永谦， 叶燕珠， 张贤金， 严业安. 空气中过氧化钠制备反应现象及实验条件的探究［J］. 化学教学， 2021， （8）： 94～97.

［11］张丽华. 例谈“素养为本”的化学教学设计策略［J］. 化学教学， 2021， （2）： 43～47.