空氣中過氧化鈉制備反應(yīng)現(xiàn)象及實驗條件的探究

葉永謙 葉燕珠 張賢金 嚴(yán)業(yè)安

摘要：針對鈉在空氣中加熱制備過氧化鈉實驗中出現(xiàn)的若干現(xiàn)象的不同解釋，以及對氧氣濃度、反應(yīng)溫度等實驗條件控制存在明顯分歧的問題，通過質(zhì)疑、實驗方案設(shè)計及探究，發(fā)現(xiàn)提高氧氣濃度、持續(xù)加熱有利于過氧化鈉淡黃色固體的生成;鈉塊置于鋁箔上隔著石棉網(wǎng)加熱，可制得淡黃色過氧化鈉固體，并可有效防止熔融過氧化鈉的腐蝕作用?；趯嶒?，推斷鈉在石棉網(wǎng)上加熱后出現(xiàn)的黑色固體可能與纖維素的不完全燃燒以及熔融過氧化鈉的腐蝕作用有關(guān)。

關(guān)鍵詞：鈉; 過氧化鈉; 實驗條件; 反應(yīng)現(xiàn)象; 實驗探究

文章編號：1005-6629（2021）08-0094-04

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題的提出

鈉在空氣中加熱制備淡黃色過氧化鈉固體是研究鈉的重要性質(zhì)的實驗，由于實驗過程中存在較多異常現(xiàn)象，對該實驗條件的深入研究具有重要啟示作用[1]。劉懷樂老師認(rèn)為，把反應(yīng)中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象歸結(jié)為煤油沒擦干凈、空氣中有二氧化碳、溫度不夠高、氧氣不足等原因是不正確的，實驗中只要在鈉燃燒一開始就限制空氣的進(jìn)入量、進(jìn)而限制反應(yīng)溫度過度上升即可制備出淡黃色的過氧化鈉[2]。江智勇等老師認(rèn)為，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的黑色物質(zhì)與煤油有關(guān)[3]。吳先強老師認(rèn)為，溫度是決定該反應(yīng)產(chǎn)物成分的重要影響因素，要想得到較多的過氧化鈉，反應(yīng)過程中必須迅速升溫[4]。本文以制備過氧化鈉淡黃色固體為方向，對以上存在明顯分歧的現(xiàn)象解釋和反應(yīng)條件進(jìn)行探究，目的在于為該反應(yīng)在中學(xué)課堂的演示尋找更加優(yōu)化的實驗條件。

2 對若干現(xiàn)象的質(zhì)疑與探究

傳統(tǒng)教材中，鈉在空氣中燃燒實驗一般是放在石棉網(wǎng)上加熱進(jìn)行，即便是2020年7月出版的蘇教版普通高中教科書《化學(xué)（第一冊）》也是采用該法。然而，采用該法加熱后在石棉網(wǎng)上能觀察到的現(xiàn)象是僅出現(xiàn)少許淡黃色固體，反而有大量的黑色物質(zhì)和白色物質(zhì)出現(xiàn)。將鈉放在嶄新的石棉網(wǎng)上加熱，現(xiàn)象也是如此。那么，為什么會出現(xiàn)大量的黑色和白色的固體？

2.1 對石棉網(wǎng)上黑色物質(zhì)的質(zhì)疑與探究

關(guān)于鈉在石棉網(wǎng)上燃燒后出現(xiàn)黑色物質(zhì)的解釋，董軍老師認(rèn)為與鈉和空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成了黑色的單質(zhì)碳有關(guān)[5];劉懷樂老師認(rèn)為空氣中二氧化碳含量極少且燃燒溫度足夠高，生成單質(zhì)碳的說法難以令人信服，黑色物質(zhì)是不同溫度條件下生成的過氧化鈉本身[6]。為了驗證劉懷樂老師的解釋，筆者將石棉網(wǎng)上的固體用蒸餾水浸泡，發(fā)現(xiàn)黑色物質(zhì)無法溶解，說明不是過氧化鈉;朱明斌等老師也通過實驗證明石棉網(wǎng)上的黑色物質(zhì)不是過氧化鈉[7]。那么，黑色物質(zhì)到底是什么？為什么會產(chǎn)生黑色物質(zhì)？

人教版、魯科版普通高中教科書《化學(xué)（第一冊）》中鈉的燃燒實驗是在坩堝中進(jìn)行的，通過實驗對比，發(fā)現(xiàn)鈉在石棉網(wǎng)上加熱一段時間后出現(xiàn)瞬間起火劇烈燃燒的現(xiàn)象，而在坩堝中加熱卻無該現(xiàn)象。通過認(rèn)真觀察鈉在石棉網(wǎng)上的燃燒過程，可以發(fā)現(xiàn)石棉網(wǎng)上黑色物質(zhì)是在劇烈燃燒后才出現(xiàn)的。

鈉在坩堝中不劇烈燃燒而在石棉網(wǎng)上能瞬間劇烈燃燒，推測后者可能有氧氣瞬間生成，而氧氣應(yīng)該是劇烈燃燒前生成的過氧化鈉與石棉網(wǎng)中的某種物質(zhì)反應(yīng)生成的。方洪川老師認(rèn)為，如今的石棉網(wǎng)是由經(jīng)石棉水浸泡后晾干的棉布及鐵絲網(wǎng)構(gòu)成，棉布是干擾鈉在空氣中燃燒的主要原因[8]。因此可以推測，棉布（纖維素）與鈉接觸的部分由于鈉的熔化溫度不斷升高而燃燒起來，生成的二氧化碳、水蒸氣等產(chǎn)物與過氧化鈉繼續(xù)反應(yīng)放出氧氣，導(dǎo)致出現(xiàn)瞬間劇烈燃燒的現(xiàn)象。由于石棉的阻隔及接觸面積有限，纖維素?zé)o法完全燃燒，石棉網(wǎng)上出現(xiàn)黑色物質(zhì)與纖維素不完全燃燒生成的碳單質(zhì)有關(guān)。

有了推測、假設(shè)之后，還要尋找有說服力的證據(jù)。關(guān)于過氧化鈉與水、與二氧化碳的反應(yīng)生成氧氣的驗證，“滴水生火、吹氣生火”是常見的演示實驗。具體做法是：用棉花包住過氧化鈉，再滴入幾滴水或者使用吸管吹氣，使棉花燃燒起來。而棉布的主要成分也是纖維素，以上實驗可以作為尋找證據(jù)的重要方向。經(jīng)過實驗，發(fā)現(xiàn)無論是“滴水生火”還是“吹氣生火”實驗，均出現(xiàn)瞬間劇烈燃燒的現(xiàn)象，且燃燒過后有黑色物質(zhì)生成。

通過以上實驗設(shè)計，找到了鈉在石棉網(wǎng)上瞬間劇烈燃燒及出現(xiàn)黑色物質(zhì)的證據(jù)，證明劇烈燃燒與石棉網(wǎng)中的纖維素與過氧化鈉反應(yīng)生成的氧氣有關(guān)，黑色物質(zhì)與纖維素不完全燃燒生成的單質(zhì)碳有關(guān)。

2.2 對石棉網(wǎng)上白色物質(zhì)的推斷

關(guān)于鈉在石棉網(wǎng)上燃燒后出現(xiàn)白色固體的解釋，張婉佳老師等認(rèn)為是過氧化鈉與空氣中的水蒸氣、二氧化碳等生成了白色的氫氧化鈉、碳酸鈉[9];江智勇等老師認(rèn)為是鈉在常溫或加熱過程中生成的氧化鈉[10]。通過以上實驗，可以推測白色物質(zhì)主要是石棉網(wǎng)中的纖維素燃燒生成的水蒸氣、二氧化碳等與過氧化鈉反應(yīng)生成的氫氧化鈉、碳酸鈉等粉末。

3 對實驗條件的質(zhì)疑與探究

關(guān)于鈉在空氣中制備淡黃色固體實驗條件中的氧氣濃度和反應(yīng)溫度問題，朱心奇老師認(rèn)為低溫、氧氣量不足時生成的是白色的氧化鈉，制備過氧化鈉必須較高的溫度和氧氣濃度[11];劉懷樂老師認(rèn)為降低反應(yīng)溫度、限制空氣的流量是實驗成功的關(guān)鍵[12]。針對以上存在明顯分歧的反應(yīng)條件，必須通過實驗進(jìn)行探究。

3.1 關(guān)于氧氣濃度的探究

為了探究氧氣濃度對產(chǎn)物的影響，將黃豆大的鈉塊放在具支試管的支管口下方進(jìn)行加熱，為防止生成的過氧化鈉對玻璃試管的腐蝕[13]，使用鋁箔將鈉塊與試管隔開（如圖1所示）。

圖1裝置中使用具支試管而不用普通試管，目的在于利用向上的支管口設(shè)計出有效的空氣對流環(huán)境（煙囪效應(yīng)）。反應(yīng)開始后熱空氣向上排出，冷空氣不斷從試管口進(jìn)入補充氧氣，從而創(chuàng)設(shè)出試管口到支管部分為氧氣充足的環(huán)境，而管中鈉塊左側(cè)為氧氣缺乏的環(huán)境。加熱一段時間后，鈉塊燃燒起來，生成的白煙伴隨著熱空氣從支管口排出，空氣不斷進(jìn)入補充使鈉塊繼續(xù)燃燒直至最后熄滅。冷卻后取出鋁箔，可以明顯觀察到氧氣充足的管口部分生成了淡黃色的固體，而氧氣缺乏的部分生成的是白色的固體。由此可以判斷，氧氣濃度高更有利于過氧化鈉的生成。由于過氧化鈉可以與過量的鈉反應(yīng)生成白色的氧化鈉[14]，提高氧氣濃度可以確保鈉完全燃燒，防止過量的鈉與過氧化鈉反應(yīng)。

3.2 關(guān)于反應(yīng)溫度的探究

人教版普通高中教科書《化學(xué)（第一冊）》中，鈉的燃燒實驗在坩堝中進(jìn)行，并明確要求鈉熔化后立即撤掉酒精燈，目的在于控制反應(yīng)的溫度。如果不撤掉酒精燈而是繼續(xù)加熱，會出現(xiàn)怎樣的結(jié)果？筆者通過對照實驗，發(fā)現(xiàn)撤掉酒精燈得到的固體顏色較淺，而持續(xù)加熱得到的固體呈現(xiàn)明顯的淡黃色，說明保持較高溫度更有利于淡黃色固體的生成。由于溫度低鈉與氧氣主要生成氧化鈉[15]，因此通過持續(xù)加熱提高反應(yīng)溫度，可以確保鈉燃燒轉(zhuǎn)化為過氧化鈉淡黃色固體。

4 鈉在空氣中加熱制備淡黃色固體的再改進(jìn)

根據(jù)以上對異常現(xiàn)象和實驗條件的質(zhì)疑和探究，可以歸納出鈉在空氣中加熱制備呈明顯淡黃色固體過氧化鈉的實驗注意事項：一是為了防止石棉網(wǎng)中的纖維素與過氧化鈉反應(yīng)，實驗中不能讓鈉與石棉網(wǎng)直接接觸;二是為了防止過量的鈉與過氧化鈉反應(yīng)生成白色的氧化鈉，實驗應(yīng)該在氧氣充足的環(huán)境中進(jìn)行;三是為了防止溫度不夠高導(dǎo)致生成氧化鈉，實驗應(yīng)該在較高溫度下持續(xù)加熱進(jìn)行?；谝陨献⒁馐马?，將鈉放在坩堝中持續(xù)加熱似乎是最佳選擇。但作為演示實驗，該方案還存在可改進(jìn)之處：一是過氧化鈉會腐蝕坩堝，北京師范大學(xué)等三所高校無機化學(xué)教研室編寫的《無機化學(xué)》（下冊，第四版）明確指出，過氧化鈉具有強堿性，熔融時不宜采用瓷質(zhì)器皿或石英器皿[16]，實驗結(jié)束后腐蝕生成的黑色物質(zhì)粘在坩堝底部且無法清洗，導(dǎo)致該坩堝無法繼續(xù)使用。由于熔融的過氧化鈉具有超強的熔礦能力[17]，熔融的過氧化鈉的腐蝕作用也是石棉網(wǎng)在鈉燃燒過后出現(xiàn)黑色物質(zhì)的原因之一;二是坩堝中空氣無法對流，燃燒過程中產(chǎn)生的二氧化碳等沉積在其底部與鈉反應(yīng)生成單質(zhì)碳[18]，導(dǎo)致產(chǎn)物中有黑色物質(zhì)生成;三是實驗在坩堝中進(jìn)行，鈉的變化包括燃燒都在坩堝底部進(jìn)行，不利于學(xué)生實驗現(xiàn)象的觀察。將鈉放在蒸發(fā)皿中加熱，也存在上述類似問題（如有少量黑色物質(zhì)）。

基于以上問題，經(jīng)過反復(fù)試探，在蘇教版教材實驗方案上做簡單改進(jìn)，可獲得理想的實驗效果。使用鋁箔緊貼在石棉網(wǎng)上，切取長5mm、寬5mm、高2mm的金屬鈉四塊，緊密排列在鋁箔上加熱。鈉塊燃燒熄滅后繼續(xù)加熱，即可得到呈明顯淡黃色的固體，且無黑色物質(zhì)出現(xiàn)。實驗中鈉塊處理成扁平狀，目的在于增大其在鋁箔上的受熱面積;選用小塊的鈉，目的在于讓其在短時間內(nèi)迅速升溫。選用鋁箔而不用其他金屬，在于鋁箔表面有致密且熔點高的氧化層保護(hù)膜，可以防止過氧化鈉的腐蝕;且鋁箔可以緊貼在石棉網(wǎng)表面，有利于迅速升溫。實驗結(jié)束后，教師可用鑷子夾著鋁箔走近學(xué)生展示生成的固體，讓學(xué)生能清晰地觀察到其顏色和狀態(tài)。

仔細(xì)觀察實驗錄像中鈉在鋁箔上加熱的變化過程，發(fā)現(xiàn)加熱初期鈉塊表面變成白色，證明溫度低時主要生成氧化鈉;繼續(xù)加熱，四塊鈉熔成一個銀白色小球;之后，小球表面被白色薄膜覆蓋;薄膜邊沿出現(xiàn)淡黃色固體。淡黃色固體先在邊沿出現(xiàn)的原因在于邊沿的鈉層更薄，溫度升高更快，再次證明溫度高有利于淡黃色固體的生成。燃燒從邊沿開始，然后整塊鈉燃燒，但并未出現(xiàn)瞬間劇烈燃燒的現(xiàn)象，而鈉在石棉網(wǎng)上直接加熱有瞬間劇烈燃燒的現(xiàn)象，說明后者確實與纖維素有關(guān)。鋁箔上火焰熄滅后，固體先后變?yōu)楹谏?、巧克力色、橙黃色，繼續(xù)加熱后出現(xiàn)淡黃色。

關(guān)于過氧化鈉的顏色，人教版、蘇教版、魯科版等中學(xué)教材均描述為淡黃色，大學(xué)教材《無機化學(xué)》[19]及《化學(xué)詞典》[20]也有同樣表述;李俊生等老師認(rèn)為通常過氧化鈉呈現(xiàn)淡黃色是由雜質(zhì)超氧化鈉引起的，純凈的過氧化鈉粉末是白色的[21];朱心奇老師也持有類似的觀點[22]。本文的質(zhì)疑與探究主要是基于中學(xué)教材關(guān)于過氧化鈉顏色表述為淡黃色的觀點展開的，也是建立在實驗真實現(xiàn)象的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，目的在于為中學(xué)課堂演示實驗服務(wù)，為鈉在空氣中加熱能明顯觀察到淡黃色固體提供更加優(yōu)化的實驗條件?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版、2020年修訂）關(guān)于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分中，“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的水平1要求學(xué)生“能從物質(zhì)及其變化的事實中提取證據(jù)，對有關(guān)化學(xué)問題提出假設(shè)，能依據(jù)證據(jù)證明或證偽該假設(shè)”[23]。上述關(guān)于鈉在空氣中加熱制備淡黃色固體存在的異?，F(xiàn)象和實驗條件的質(zhì)疑和探究，就是基于鈉在燃燒中變化的實驗事實，針對不同解釋存在的分歧設(shè)計實驗尋找證據(jù)，最終做出對應(yīng)判斷，并有效運用判斷結(jié)果，使用簡單方法成功改進(jìn)教材中的實驗方案。探究的初衷在于發(fā)現(xiàn)真相、為相關(guān)觀點提供實驗事實和證據(jù)。通過質(zhì)疑、探究和實驗方案的再改進(jìn)，在成功制得淡黃色過氧化鈉固體的同時，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理能力和批判質(zhì)疑精神。

參考文獻(xiàn)：

[1][21]李俊生，張笑宇，胡志剛. 對過氧化鈉顏色的研究[J]. 化學(xué)教學(xué)，2012，（12）：70～74.

[2][6][12]劉懷樂. 鈉在空氣中燃燒制過氧化鈉的再實踐和再認(rèn)識[J]. 化學(xué)教育，2009，（3）：67～69.

[3][10][14]江智勇，汪斌權(quán). 鈉在空氣中燃燒實驗的再探究[J]. 化學(xué)教學(xué)，2016，（2）：48～50.

[4]吳先強. 鈉燃燒生成過氧化鈉的最佳實驗條件探究[J]. 化學(xué)教學(xué)，2009，（4）：11～12.

[5]董軍. 鈉在空氣中燃燒實驗的探究[J]. 化學(xué)教學(xué)，2012，（1）：47～48.

[7]朱明斌，楊茵. 鈉燃燒異?，F(xiàn)象探究[J]. 化學(xué)教學(xué)，2008，（10）：7～9.

[8][18]方洪川. “鈉在空氣中燃燒”實驗的探究與改進(jìn)[J]. 實驗教學(xué)與儀器，2019，（5）：31～33.

[9]張婉佳，黃偉. 制備過氧化鈉演示實驗的探究[J]. 化學(xué)教育，2008，（6）：55，71.

[11][15][22]朱心奇. 過氧化鈉是呈白色還是淡黃色[J]. 化學(xué)教育，2009，（2）：69～70.

[13][16][19]北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué)無機化學(xué)教研室. 無機化學(xué)（下冊）[M]. 北京：高等教育出版社，2003：655.

[17]鄭大中，李小英，鄭若鋒，王惠萍. 過氧化鈉超強熔礦能力的新認(rèn)識[J]. 四川地質(zhì)學(xué)報，2010，（4）：488～492，499.

[20]周公度. 化學(xué)辭典[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：271.

[23]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版、2020年修訂）[S]. 北京：人民教育出版社，2020.