鉀與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

王建芬??

摘要： 現(xiàn)行高中化學(xué)教材中的鉀與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有證明有氫氣生成，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)后容易產(chǎn)生疑惑。利用一次性注射器、玻璃兩通管和橡膠塞等實(shí)驗(yàn)用品，通過(guò)巧妙加工、設(shè)計(jì)和組裝實(shí)驗(yàn)新裝置，能清晰給出相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，很好地證明了鉀與水反應(yīng)既可生成氫氧化鉀又可生成氫氣的重要結(jié)論，從而打消了學(xué)生的疑慮，提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 鉀與水反應(yīng)； 氫氣； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 10006629（2018）8006303 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題提出

現(xiàn)行高中化學(xué)教材[1]鉀與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法是： 在燒杯中放入一些水，然后取綠豆粒大小的鉀，用濾紙吸干表面的煤油，把它投入燒杯中，觀察它與水反應(yīng)的現(xiàn)象（如圖1所示）。反應(yīng)完畢后，向燒杯中滴入幾滴酚酞試液，觀察溶液顏色的變化?，F(xiàn)行教材對(duì)鉀與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象作了解釋，其觀點(diǎn)是：“鉀與水反應(yīng)比鈉與水的反應(yīng)更劇烈，反應(yīng)放出的熱可以使生成的氫氣燃燒，并發(fā)生輕微的爆炸，證明鉀比鈉的金屬性更強(qiáng)?！钡闷娴膶W(xué)生看完實(shí)驗(yàn)后提出了與教材不同的觀點(diǎn)，他們認(rèn)為：“金屬鉀與水反應(yīng)時(shí)，在水的表面上燃燒，不一定是生成的氫氣在燃燒，很有可能是金屬鉀與水反應(yīng)時(shí)達(dá)到了金屬鉀的著火點(diǎn)，是金屬鉀本身在水面上燃燒?！笔聦?shí)果真如此嗎？實(shí)踐是檢驗(yàn)真理

的唯一標(biāo)準(zhǔn)，帶著這一問(wèn)題，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探索。利用一次性注射器、兩通玻璃管、橡膠塞等，自行設(shè)計(jì)了可以證明鉀與水反應(yīng)生成氫氧化鉀和氫氣的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)解決了兩種觀點(diǎn)孰是孰非問(wèn)題，深受學(xué)生的歡迎。

2 現(xiàn)狀分析

通過(guò)查閱大量教學(xué)期刊發(fā)現(xiàn)，關(guān)于鉀與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的研究論文并不多見(jiàn)，然而這些研究論文所報(bào)道的實(shí)驗(yàn)方法或多或少都存在一些問(wèn)題。有的實(shí)驗(yàn)方法[2]雖然簡(jiǎn)單，但當(dāng)金屬鉀與水接觸的瞬間實(shí)驗(yàn)裝置中氣球容易燙壞而破損，造成實(shí)驗(yàn)失?。贿€有的實(shí)驗(yàn)方法[3]雖有可能控制金屬鉀與水反應(yīng)生成的氫氣的燃燒，但很難得到純凈的氫氣，更談不上對(duì)氫氣的檢驗(yàn)。因此筆者認(rèn)為，到目前為止，一直沒(méi)有從根本上解決鉀與水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣可收集并可通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證的問(wèn)題。針對(duì)這種情況，有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步改進(jìn)。我們利用常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)用品，通過(guò)潛心研究，巧妙加工和組裝，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單、合理的實(shí)驗(yàn)裝置，達(dá)到了理想的實(shí)驗(yàn)效果，從而解決了教學(xué)中的實(shí)際問(wèn)題。

3 設(shè)計(jì)思想

現(xiàn)行高中化學(xué)教材中鉀與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)有其所長(zhǎng)，但沒(méi)有證明有氫氣生成，也沒(méi)有證明究竟是鉀與水反應(yīng)生成的氫氣在燃燒，還是熔化的金屬鉀在燃燒。為此，作為改進(jìn)設(shè)計(jì)的新實(shí)驗(yàn)方法必須能夠證明兩個(gè)問(wèn)題： 一是金屬鉀能夠跟水反應(yīng)，但本身并不燃燒；二是金屬鉀與水反應(yīng)能夠生成氫氧化鉀和氫氣，生成的氫氧化鉀用無(wú)色的酚酞試液進(jìn)行檢驗(yàn)，而生成的氫氣則可以通過(guò)點(diǎn)燃加以驗(yàn)證。因此，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須分兩步進(jìn)行，首先是金屬鉀與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，然后是氫氣檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。

4 設(shè)計(jì)方案

依據(jù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想，要想保證鉀與水發(fā)生反應(yīng)生成氫氣但不燃燒，必須使兩者在一個(gè)隔絕空氣的條件下進(jìn)行，此外，生成的氫氣還能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。由于鉀與水發(fā)生反應(yīng)是放熱的，并且生成了氫氣，封閉的體系內(nèi)壓強(qiáng)會(huì)發(fā)生變化，這就要求反應(yīng)器必須具備兩點(diǎn)： 一是整個(gè)反應(yīng)器必須密封；二是反應(yīng)器必須可以自動(dòng)調(diào)節(jié)壓強(qiáng)。利用一次性注射器的上下可移動(dòng)性可使反應(yīng)器內(nèi)外壓強(qiáng)保持平衡；兩通玻璃管的透明性和耐高溫性可以保證實(shí)驗(yàn)的可觀察性和堅(jiān)固性；使用橡膠塞可以使反應(yīng)器密封性良好。通過(guò)對(duì)這些實(shí)驗(yàn)用品的巧妙處理和組合可以很好地解決實(shí)驗(yàn)裝置既可密封又可自動(dòng)調(diào)壓?jiǎn)栴}，反應(yīng)生成的氫氧化鉀用無(wú)色的酚酞試液進(jìn)行檢驗(yàn)，得到的純凈的氫氣則用點(diǎn)燃的方法加以驗(yàn)證。

5 實(shí)驗(yàn)原理

（1） 金屬鉀與水反應(yīng)： 2K+2H2O2KOH+H2↑。

（2） 檢驗(yàn)氫氣： 2H2+O2點(diǎn)燃2H2O。

（3） 指示劑變色： 酚酞試液遇氫氧化鉀溶液變紅。

6 實(shí)驗(yàn)方法

6.1 實(shí)驗(yàn)用品

一次性注射器（50mL）2支、兩通玻璃管（2×12cm）1根、3號(hào)橡膠塞2個(gè)、大號(hào)注射針頭3根、酒精燈1盞、火柴1盒、玻璃片1塊、小刀1把、蒸發(fā)皿1個(gè)、玻璃棒1根、膠頭滴管1支、打孔器

金屬鉀、蒸餾水、酚酞試劑、洗衣液

6.2 儀器加工與組裝

（1） 取一個(gè)3號(hào)橡膠塞，用打孔器在小頭端打一個(gè)直徑4mm、深4mm的凹形小孔洞，從大頭端中央插入一根大號(hào)注射針頭，并使針尖下端穿出恰好與橡膠塞的小頭端凹形小孔洞在同一個(gè)平面內(nèi)（如圖2所示）。

（2） 用小刀在玻璃片上切割一塊綠豆粒大小的金屬鉀，放到橡膠塞的凹形小孔洞內(nèi)（要求金屬鉀充滿整個(gè)孔洞，使孔洞內(nèi)的空氣全部排盡），且正好讓注射針頭穿過(guò)金屬鉀并露出針孔（如圖3所示）。

（3） 取一根兩通玻璃管，在其下口處塞上一個(gè)3號(hào)橡膠塞，然后將另一根大號(hào)注射針頭從膠塞大頭端中央向小頭端的中央穿透；將一次性注射器吸滿滴有酚酞試液的蒸餾水，并與此針頭連接好。稍向上推注射器的注射栓，使少量蒸餾水酚酞混合液進(jìn)入玻璃兩通管內(nèi)；用滴管向玻璃管內(nèi)滴入蒸餾水酚酞混合液至距離上管口3cm處。然后將兩通管的上口處塞緊帶有金屬鉀的橡膠塞（如圖4所示）。

6.3 操作及現(xiàn)象

（1） 鉀與水的反應(yīng)： 儀器垂直組裝好后，用力上推注射器1的注射栓，使蒸餾水與酚酞的混合液迅速充滿兩通玻璃管，使空氣排出管外，當(dāng)液面與孔洞內(nèi)的金屬鉀接觸時(shí)，立即發(fā)生反應(yīng)（2K+2H2O2KOH+H2↑），

可觀察到金屬鉀顆粒變成一個(gè)熔化的小球從孔洞內(nèi)落

下并浮在水面上無(wú)聲地迅速移動(dòng)，溶液隨之變紅（此時(shí)注射器的注射栓用手握住不動(dòng)），說(shuō)明鉀與水反應(yīng)生成了氫氧化鉀。當(dāng)產(chǎn)生的氣體將兩通玻璃管內(nèi)的空氣向外排盡時(shí)，迅速將注射器2與兩通管上口膠塞上針頭連接，此時(shí)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)生的氣體被密封在兩通玻璃管和注射器2內(nèi)（如圖5所示： A一次性注射器2；B兩通玻璃管；C和D蒸餾水與酚酞試液混合溶液；E一次性注射器1）。

（2） 氣體的檢驗(yàn)： 上推一次性注射器1的注射栓或上提一次性注射器2的注射栓，使生成氣體全部進(jìn)入到一次性注射器2的注射管內(nèi)。

（3） 在蒸發(fā)皿中加入20mL蒸餾水，加入5mL洗衣液（作為發(fā)泡劑），用玻璃棒攪拌均勻。

（4） 將充有氣體的一次性注射器2取下（上下方向不變），安裝上另一個(gè)大號(hào)注射針頭，將針 管內(nèi)的氣體少許推入到蒸發(fā)皿內(nèi)的洗衣液里，可觀察到產(chǎn)生的氣泡向空中緩緩漂動(dòng)，用火柴點(diǎn)燃時(shí)，與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)（2H2+O2點(diǎn)燃2H2O）產(chǎn)生爆鳴聲，說(shuō)明鉀與水反應(yīng)生的氣體是氫氣。

（5） 點(diǎn)燃酒精燈，將一次性注射器2內(nèi)剩余的氣體推到火焰上，又可發(fā)現(xiàn)該氣體可以安靜地燃燒（2H2+O2點(diǎn)燃2H2O），并產(chǎn)生淡藍(lán)色火焰，也可說(shuō)明該氣體是氫氣。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可知，金屬鉀與水發(fā)生反應(yīng)時(shí)，在隔絕空氣的條件下觀察不到金屬鉀表面燃燒的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也沒(méi)有輕微的爆炸聲。金屬鉀與水發(fā)生反應(yīng)時(shí)由于可以收集到純凈的氫氣，氫氣點(diǎn)燃時(shí)才有爆鳴聲或爆炸聲。由此說(shuō)明教材中所述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是符合客觀事實(shí)的，也是完全正確的，確實(shí)是金屬鉀表面生成的氫氣達(dá)到了著火點(diǎn)以后被點(diǎn)燃而燃燒。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰，事實(shí)證據(jù)充分。

7 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 利用一次性注射器、兩通管、橡膠塞等制作的實(shí)驗(yàn)裝置，取材容易，制作簡(jiǎn)單，操作方便，現(xiàn)象明顯。

（2） 作為教材實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，可以證明金屬鉀與水反應(yīng)生成氫氧化鉀和氫氣。

（3） 實(shí)驗(yàn)裝置除了可應(yīng)用到金屬鉀與水的反應(yīng)外，還可以用于金屬鈉與水的反應(yīng)和金屬鈉與乙醇的反應(yīng)。

（4） 該實(shí)驗(yàn)不僅解決了教學(xué)中的實(shí)際問(wèn)題，而且還可利用點(diǎn)燃在空中漂浮的氣泡的方法，證明鉀與水反應(yīng)生成的氣體是氫氣，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

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