鈉在空氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的再探究

江智勇++汪斌權(quán)

摘要：在文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)鈉在空氣中燃燒實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的黑色物質(zhì)不可能是鈉與二氧化碳反應(yīng)生成的炭黑，而是煤油燃燒不充分所生成的炭黑。同時(shí)得出實(shí)驗(yàn)中淡黃色固體產(chǎn)物少的原因是：反應(yīng)物鈉的用量少、表面的鈉在常溫或較低溫度下生成了白色的氧化鈉和副產(chǎn)物炭黑干擾等三方面因素共同影響的結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)基礎(chǔ)上，找出了此實(shí)驗(yàn)生成易觀察到的淡黃色固體的關(guān)鍵操作，以及反應(yīng)的最佳實(shí)驗(yàn)條件。

關(guān)鍵詞：鈉燃燒；過氧化鈉；淡黃色固體；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號：1005-6629（2016）2-0048-03

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的疑難，既有技術(shù)層面上的，也有理論（原理）層面上的。盡管見仁見智，但是我們應(yīng)當(dāng)承認(rèn)在這些基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域里，仍然有許多未知需要我們?nèi)ヌ骄?，去認(rèn)識(shí)，去創(chuàng)新。有些過去認(rèn)為已經(jīng)解決的問題，其實(shí)并未完全解決，尚有探究的空間。

鈉在空氣中燃燒實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)中的重要演示實(shí)驗(yàn)。蘇教版《化學(xué)（必修1）》教材有關(guān)鈉燃燒實(shí)驗(yàn)沿用了在石棉網(wǎng)上燃燒的傳統(tǒng)方法。人教版只不過把原來在石棉網(wǎng)上燃燒改為在瓷坩堝中燃燒。此演示實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象始終不理想，生成黑色物質(zhì)較多，生成淡黃色固體較少。作為演示實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象不明顯甚至反常會(huì)嚴(yán)重影響教學(xué)效果。為此，筆者對該實(shí)驗(yàn)作了深入的文獻(xiàn)研究和實(shí)驗(yàn)探索，對鈉燃燒實(shí)驗(yàn)上述現(xiàn)象作了成因分析，并改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。

1 相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研

筆者查閱了《化學(xué)教學(xué)》、《化學(xué)教育》、《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》三本中學(xué)化學(xué)教育類核心期刊。發(fā)現(xiàn)有關(guān)改進(jìn)鈉燃燒實(shí)驗(yàn)的研究性文章在期刊上多有報(bào)道。對于同一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如此廣泛、深入、持久的討論，—方面說明這個(gè)實(shí)驗(yàn)的重要性，同時(shí)也說明這個(gè)實(shí)驗(yàn)還不成熟，還有不少理論和實(shí)際問題沒有得到解決，需要我們更深層次的研究。

1.1 產(chǎn)生黑色固體的原因探究

富陽中學(xué)董軍老師認(rèn)為，產(chǎn)生黑色物質(zhì)可能是：用酒精燈作為熱源，—方面酒精沒有充分燃燒形成細(xì)小的炭黑顆粒滲過石棉，導(dǎo)致受熱處石棉變黑；另—方面，酒精燃燒致使局部二氧化碳濃度較大，一部分鈉與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成了炭黑。

奉化中學(xué)王林兆老師通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鈉中煤油的殘余量對本實(shí)驗(yàn)的成敗起著重要作用，鈉表面的煤油是否被濾紙吸收干凈，特別是有無擦干鑷子上的煤油，對炭顆粒生成很有影響。但著名特級教師劉懷樂老師撰文懷疑這種觀點(diǎn)，認(rèn)為在鈉加熱至熔化再燃燒的整個(gè)過程中，溫度很高，容易揮發(fā)的煤油不可能還一直停留在那里等待變黑。

朱孝斌在“一堂偏離軌道的探究課”中提出：產(chǎn)生黑色固體是由于空氣中二氧化碳與鈉反應(yīng)生成的碳單質(zhì)。

1.2 產(chǎn)生淡黃色固體不多的原因探究

查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，鈉在空氣中燃燒，產(chǎn)生淡黃色固體不多的原因可歸納為：①鈉的用量少，導(dǎo)致反應(yīng)生成的過氧化鈉量少；②石棉網(wǎng)作反應(yīng)容器所致。石棉網(wǎng)透氣性好，二氧化碳與鈉反應(yīng)生成炭黑使淡黃色不明顯；③反應(yīng)溫度過高或過低所致。溫度過低只生成白色氧化鈉；溫度過高使過氧化鈉分解或散逸到空氣中；④過氧化鈉的顏色，即使權(quán)威著作也眾說紛紜，沒有統(tǒng)一看法。有學(xué)者認(rèn)為過氧化鈉顏色不是淡黃色而是白色，淡黃色是因?yàn)楹谐趸c所致。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)用品與裝置

實(shí)驗(yàn)用品與藥品：六角螺帽（內(nèi)直徑2cm左右）、薄鐵板一塊（5cm×5cm左右）、鑷子、濾紙、酒精燈、火柴、小刀、膠頭滴管、金屬鈉塊

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，在三腳架上放一塊薄鐵板，并在鐵板中心放上六角螺帽。把鈉塊放在六角螺帽中并用酒精燈加熱鐵板。

2.2 實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)1 取3倍于黃豆粒大小的鈉塊，盡量擦干表面的煤油和鑷子上煤油，放入六角螺帽中，給鐵板加熱。此時(shí)可觀察到不規(guī)則的鈉塊緩慢縮成表面為白色固體的球體，約2秒后小球表面有少量黑色物質(zhì)生成。繼續(xù)加熱，無新現(xiàn)象出現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)2 繼續(xù)用膠頭滴管取少量用于保存鈉的煤油，少量、多次地滴到六角螺帽的小球上。此時(shí)發(fā)現(xiàn)煤油燃燒的同時(shí)，小球表面的黑色物質(zhì)增多直到黑色物質(zhì)覆蓋整個(gè)小球表面（見圖2、圖3）。

實(shí)驗(yàn)3 另取綠豆粒大小的鈉塊，也不吸干表面煤油，直接在鐵板上加熱（不加六角螺帽）至鈉開始熔化，立即停止加熱，利用余熱加熱。并用干凈的玻棒撥開表面氧化膜，讓內(nèi)部鈉與空氣充分接觸。冷卻之后，再次用酒精燈加熱，此時(shí)，看不到火星，更沒有—點(diǎn)兒淡黃色固體生成，鐵板上只有黑色物質(zhì)生成。

實(shí)驗(yàn)4 另取3倍于黃豆粒大小的鈉塊，盡量吸干表面的煤油及鑷子上的煤油，放入六角螺帽中加熱鐵板至鈉塊完全熔化。用鑷子取走六角螺帽，此時(shí)，鈉球會(huì)四處流散開來，由于鐵板處于較高溫度，內(nèi)部的鈉沖破表面氧化膜與空氣接觸，冒出紅色火星，劇烈燃燒，生成大量淡黃色固體。固體形狀各異，有的呈珊瑚狀，有的像一朵淡黃色的小菊花（見圖4、圖5）。

2.3 實(shí)驗(yàn)解釋及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)1結(jié)論：鈉是極活潑金屬，在取鈉、切鈉、吸干煤油、加熱熔化等實(shí)驗(yàn)操作過程中，表面的鈉與空氣中氧氣反應(yīng)生成氧化鈉。查資料可知氧化鈉的熔點(diǎn)為1132.0℃，而鈉的熔點(diǎn)只有97.72℃。故鈉塊在加熱時(shí)，先熔化成小球，但外面有致密的氧化膜包裹，內(nèi)部液態(tài)的鈉不可能與空氣中二氧化碳或酒精燃燒生成的二氧化碳直接接觸反應(yīng)。故此時(shí)生成的黑色物質(zhì)不可能是鈉與二氧化碳反應(yīng)生成的炭黑。

實(shí)驗(yàn)2結(jié)論：劉懷樂老師認(rèn)為煤油易揮發(fā)，不可能是煤油燃燒不充分所生成的炭黑。但筆者認(rèn)為加熱過程中煤油應(yīng)先燃燒。實(shí)驗(yàn)2不僅證實(shí)了煤油確實(shí)會(huì)燃燒，而且黑色物質(zhì)即為煤油燃燒所生成的炭黑。

實(shí)驗(yàn)3、4結(jié)論：實(shí)驗(yàn)中得不到或很少得到淡黃色固體的原因是多方面的。但筆者通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)為主要有三個(gè)原因：首先是鈉的用量太少導(dǎo)致生成淡黃色固體少，使現(xiàn)象不明顯；其次是表面的鈉在常溫或加熱過程中于生成了白色的氧化鈉，故生成淡黃色固體的量更少了.最后是黑色的炭黑、白色的氧化鈉對淡黃色固體顏色的干擾所致。

2.4 鈉燃燒實(shí)驗(yàn)的最佳實(shí)驗(yàn)條件

搞清楚黑色物質(zhì)的成分和影響生成物顏色的原因之后，就可以總結(jié)出得到大量淡黃色固體的最佳實(shí)驗(yàn)條件了。具體見以下五點(diǎn)。

（1）實(shí)驗(yàn)裝置必須改進(jìn)，因?yàn)槭蘧W(wǎng)上做鈉的燃燒實(shí)驗(yàn)，體系過于敞開，導(dǎo)致燃燒過快，不能很好地控制實(shí)驗(yàn)。瓷坩堝不僅沒有彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)，還會(huì)引起受熱不均而炸裂。由上述實(shí)驗(yàn)可知，鐵板和螺母作反應(yīng)容器是不錯(cuò)的選擇。螺母不僅能把熔融的鈉球很好地固定下來，可以清楚地、持久地觀察到氧化膜以及反應(yīng)進(jìn)程，還避免了反應(yīng)物與二氧化碳直接接觸，同時(shí)符合演示實(shí)驗(yàn)裝置簡單、操作簡便、現(xiàn)象明顯、安全環(huán)保、重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。

（2）加大金屬鈉的用量。用量為原來綠豆粒大小的4至6倍（實(shí)驗(yàn)絕對安全，不像瓷坩堝會(huì)炸裂），增加淡黃色固體的生成量，可使現(xiàn)象更明顯。

（3）改用更柔軟、吸水性更好的紙巾盡量吸干鈉表面的煤油，雖然不能完全吸干，但可減少炭黑的干擾。

（4）盡量切去鈉表面的氧化膜，減少氧化鈉顏色對過氧化鈉顏色的干擾。

（5）鐵板的溫度不能太低，一般用酒精燈加熱25秒左右，鐵板溫度控制在300℃至400℃。如果溫度太低，當(dāng)取走螺母時(shí)鈉不會(huì)冒出火星，不會(huì)燃燒，使實(shí)驗(yàn)失敗。如果取走螺帽時(shí)，鈉球沖破氧化膜冒出火星，劇烈燃燒，此時(shí)撤去酒精燈，一定能生成較多淡黃色過氧化鈉固體。endprint