由一道試題看金屬鈉與冰醋酸及水反應(yīng)現(xiàn)象的反常

耿 磊

(吉林省長春市東北師范大學(xué)附屬中學(xué) 130021)

一、試題再現(xiàn)

醋中含有乙酸，工業(yè)上可用乙烯經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化合成乙酸，下列判斷正確的是( ).

A．乙烯合成乙酸過程中涉及取代反應(yīng)和氧化反應(yīng)

B．向無水乙醇、冰醋酸、水中分別加入鈉，冰醋酸產(chǎn)生H2的速度最快

C．除去乙醇中的乙酸雜質(zhì)，可先加入CaO固體，然后蒸餾

D．乙醇與鈉反應(yīng)可以產(chǎn)生氫氣，所以乙醇顯酸性

答案：C

試題中B選項(xiàng)的出現(xiàn)，在學(xué)?；瘜W(xué)教師中出現(xiàn)了很大的爭議，相當(dāng)一部分教師認(rèn)為B選項(xiàng)是正確的.因?yàn)轸然u基氫的活潑性﹥水中羥基氫﹥醇中羥基氫這個結(jié)論已經(jīng)根深蒂固.起初筆者也有點(diǎn)拿捏不準(zhǔn)，因此想到用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，這是一個非常簡單的試管實(shí)驗(yàn)，而且操作也比較方便！

二、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

各取5mL冰醋酸和蒸餾水于兩只試管中，分別加入兩塊相同大小的金屬鈉，觀察現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)金屬鈉和水的反應(yīng)速率比與冰醋酸反應(yīng)快很多.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明上述試題的B選項(xiàng)是錯誤的，金屬鈉與水反應(yīng)更快一些.那為什么會是這樣的一種結(jié)果呢？冰醋酸和水一樣也存在自偶電離，體系中也是存在醋酸合氫離子的，難道是醋酸合氫離子的濃度小？筆者帶著這些問題查閱了相關(guān)資料.

三、理論分析

理論上分析由于乙酸呈弱酸性，水呈中性，所以金屬鈉與其反應(yīng)，應(yīng)該是乙酸更快.可實(shí)際實(shí)驗(yàn)事實(shí)是金屬鈉與水反應(yīng)更快.筆者提出如下幾點(diǎn)原因猜想，以求教于同仁.

1.從自偶電離常數(shù)(Ks)角度

來自捷克和德國的研究人員將鈉-鉀合金的液滴投入水中，并利用高速攝像機(jī)觀察反應(yīng)過程的最新研究發(fā)現(xiàn)，鈉-鉀合金液體進(jìn)入水中后僅僅約0.4ms，液滴就分散成大量針尖一樣的小液滴，而周圍的水則變成藍(lán)紫色.在觀察的基礎(chǔ)上，他們又利用計(jì)算化學(xué)方法對這一過程進(jìn)行進(jìn)一步分析.結(jié)果表明，當(dāng)堿金屬與水接觸后，堿金屬迅速轉(zhuǎn)移電子到水中，形成溶劑化的電子(水合電子).“水合電子”中的正一價氫進(jìn)一步得電子轉(zhuǎn)化為氫原子，氫原子再相互作用生成氫氣.基于上述金屬鈉與水的反應(yīng)機(jī)理猜測鈉與冰醋酸反應(yīng)的機(jī)理應(yīng)該與此類似，因此筆者想到乙酸中羧基氫與水中羥基氫的活性及溶劑合氫離子的濃度對反應(yīng)速率的影響，而溶劑合氫離子的濃度取決于溶劑的自偶電離常數(shù).

筆者查閱了乙酸和水的自偶電離常數(shù),從“常用酸、堿溶劑的性質(zhì)”表摘錄出一些質(zhì)子自遞常數(shù)的數(shù)據(jù)如下表(通常溫度時)：

溶劑水甲醇乙醇醋酸硫酸甲酸氨(-50℃)pKs14.016.719.114.53.856.233

通過數(shù)據(jù)可知，pKs越大，Ks越小，因此醋酸的自偶電離常數(shù)比水的自耦電離常數(shù)略小，這可能是反應(yīng)較慢的一個原因.筆者還對比了鈉和乙醇的反應(yīng)，速率比與乙酸反應(yīng)還慢(乙醇的pKs為19.1).但由于乙酸和水的自偶電離常數(shù)差異不大(但實(shí)際反應(yīng)速率差異較大)，因此筆者認(rèn)為應(yīng)該還有其它的原因影響了反應(yīng)速率.

2.產(chǎn)物的溶解度對反應(yīng)速率的影響

眾所周知，不選擇石灰石和稀硫酸制備CO2氣體的主要原因是產(chǎn)物CaSO4微溶，附著在CaCO3的表面，從而阻礙了反應(yīng)的進(jìn)行.類似的例子還有很多，金屬鈣與水或者氫氟酸反應(yīng)較慢，是因?yàn)樯傻腃aF2和Ca(OH)2由于溶解度小，阻礙了反應(yīng)進(jìn)行；文獻(xiàn)表明金屬鈉與苯酚(羥基酸性比乙醇強(qiáng))反應(yīng)速率比與乙醇反應(yīng)速率慢的最根本的原因是生成的苯酚鈉在苯酚中溶解度小，附著在金屬鈉的表面從而阻止了反應(yīng)的進(jìn)行，而乙醇鈉在乙醇中的溶解度較大；同樣鈉與濃鹽酸的反應(yīng)比水的反應(yīng)慢，是因?yàn)闈恹}酸與金屬鈉接觸的部位有大量氯化鈉生成，氯化鈉在濃鹽酸中的溶解度較小，難以迅速溶解，對溶液與金屬鈉的進(jìn)一步接觸起了一定的阻礙作用，使反應(yīng)的劇烈程度降低.

上述大量事實(shí)證明，產(chǎn)物的溶解度對反應(yīng)速率起到了不容忽視的影響.所以筆者猜測金屬鈉與冰醋酸反應(yīng)生成的乙酸鈉在冰醋酸中溶解度小，從而阻礙了反應(yīng)的進(jìn)行.而鈉與水反應(yīng)生成的氫氧化鈉在水中的溶解度較大，很快溶解在水中，對反應(yīng)的進(jìn)行沒有任何的阻礙作用.

3.氫鍵的影響

乙酸的沸點(diǎn)為117.9℃，水的沸點(diǎn)為100℃，因此乙酸中分子之間的氫鍵比水分子中的氫鍵作用強(qiáng).正是這種強(qiáng)的氫鍵作用約束了羥基氫，破壞這類氫鍵需要更多的能量，所以乙酸與鈉反應(yīng)比水與鈉反應(yīng)所需的活化能大，反應(yīng)速率慢.

四、教學(xué)啟示

1.化學(xué)是一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的自然學(xué)科，很多問題當(dāng)理論分析不清楚的時候，需要借助于實(shí)驗(yàn)來加以分析.

2.不能憑借經(jīng)驗(yàn)對一些知識點(diǎn)抱以深信不疑的態(tài)度，長期以往就會思維定勢.很多問題需要以質(zhì)疑的態(tài)度去探究，大膽求證.只有這樣才能獲取新知，更新舊知！

3.通過這個問題的探究，筆者體會到認(rèn)識過程是較為復(fù)雜的，一個科學(xué)結(jié)論的得出需要反復(fù)加以論證，理論結(jié)合實(shí)驗(yàn).