新型Na与H2O反应可自动收集可点燃一体化演示实验仪器的探究及应用

邱进录

（甘肃省兰州市第七十一中学，甘肃兰州730080）

新型Na与H2O反应可自动收集可点燃一体化演示实验仪器的探究及应用

邱进录

（甘肃省兰州市第七十一中学，甘肃兰州730080）

针对传统的钠与水反应实验中的不能同时收集氢气及点燃等不足之处，我研制出"新型Na与H2O反应可自动收集可点燃一体化演示实验教学仪器"并应用于中学化学课堂实验教学，不但能减轻化学教师进行相关实验教学的负担，大大提高课堂演示实验的效率，更能通过直观观察有效激发学生学习化学的兴趣，帮助学生理解相关反应，培养学生的创新意识和实践能力。

钠与水反应；高低U型管；自动收集；可点燃；教具

一、研究的背景和意义

钠与水的反应实验是高中碱金属章节中的经典实验。在人教版教科书上，这个教学演示实验往往是这样做的：从煤油中夹取出一块金属钠，用滤纸吸干净表面的煤油后，用小刀切取绿豆大小的一小块金属钠，切口呈现银白色的金属光泽，但光泽迅速消失、变暗，原因是钠与空气中的氧气迅速反应；将这一小块钠投入注有水的表面皿或烧杯中，观察发现钠浮于水面上，剧烈反应，急速游动，发出咝咝的声音，并熔成一个闪亮的小球，逐渐缩小，最后完全消失；在反应后的溶液中滴加酚酞，溶液变红。

这个传统实验只是将钠块放入到水中，观察其反应现象，如上图所示。如果要收集钠与水反应生成的氢气就要用下图所示排水法来收集，并爆鸣。

因此在这个传统实验中学生对钠与水反应就只有定性的认识而很难定量去研究，即使定性也可能是不全面的，如反应生成物中氢气只能爆鸣而不能看到其燃烧。如何能一次性将反应过程生成的氢气收集起来，并在空气中点燃，从而直观的加以验证呢？

化学是一门以实验为基础的科学，化学实验是基础教育阶段化学课程实施中学生认识化学和进行科学探究的重要途径。综合分析初、高中化学课程标准的基础要求可以发现，在中学化学课程中，通过"化学实验"让学生认识化学反应规律，实现物质的转化是基础教育化学课程的重要内容，也是学生进行科学探究的重要载体。

针对教材中，钠与水反应的演示实验中存在不足的问题，我们认为为了能在中学化学课堂教学中有效进行"钠与水反应"的实验教学，充分发挥化学实验教学的教育功能，对钠与水反应的演示实验作进一步的改进是很有必要和有意义的。

研制"Na与H2O反应的可自动收集可点燃教学实验仪器"并应用于中学化学课堂实验教学，不但能有效激发学生学习化学的兴趣，帮助学生更好理解Na与H2O的反应，培养学生的创新意识和实践能力，而且也能大大减轻化学教师进行相关实验教学的负担，使演示实验更易操作，更流畅，更易于学生观察并得出正确结论。

二、研究设想、过程和成果

基于前人对"Na与H2O反应的教学仪器"的研究，本课题组确立的这个研究项目，旨在借鉴前人研制项目的优点，制作出一套能集展示反应现象、收集反应生成的气体、点燃反应生成的气体为一体的"Na与H2O反应的一体化演示实验教具"替代教材中的先在烧杯中做Na与H2O的反应实验,在用排水法来收集氢气和氢气爆鸣的实验，辅助中学化学课堂实验教学。设想该教具应具备以下特点：

（1）符合中学生的认知特点，原理清晰、现象明显；

（2）便于全班同学直观、全面、完整地观察实现现象；

（3）操作简便、快捷、安全，体现绿色化学理念；

（4）能重复使用，省时，省药品，成本低，综合效益高。

本课题主要围绕三个问题展开研究：

（1）Na与H2O如何安全的反应？

（2）Na与H2O反应生成的气体如何收集？装置的气密性如何解决？如何保证收集到的气体是纯净的？

（3）如何使整套实验操作简捷，呈现的现象便于全班学生观察？

从网上查找到一些别人做的改进仪器和装置，其中有的操作复杂、有的不安全、有的设备复杂等。我一开始用酸式滴定管和一个直管来做，不方便；用一般的U型管来做，不能把氢气点燃……

总之，本课题组经过反复多次试验后才发现，用一个非对称（一端高，一端低）的U型管（内径为3CM左右），再在低的一端塞上一个带尖嘴和玻璃旋塞的磨口玻璃塞，就能巧妙地将生成的气体氢气收集起来：因为生成的气体（H2）不溶于水，隨着生成的气体的增加，会自动地把水压向U型管高的一端，在高的一端形成一定高度的水柱，当玻璃旋塞打开后，利用水柱的压力，可以把气体自动压出，便于在尖嘴口直接点燃气体。

该演示实验仪器的改进期望达到的效果是：

（1）能直接看到钠与水反应的现象；

（2）能自动收集生成的气体；

（3）生成的气体（氢气）易于验证（可点燃）。

这样才能既增强说服力和趣味性，又体现其实用价值。

于是，我们从选取钠块的大小，计算生成氢气的多少，选择U型管的尺寸，长短比例，玻璃塞的大小，密封的方式方法，美观等角度展开了进一步的试验，以设计一个最佳比例大小的实验仪器。最终自行设计出了一种高低非对称U型管低端口上塞上一个带尖嘴和玻璃旋塞的磨口玻璃塞的实验仪器，如下左图，仪器实际使用情况如下右图。

新型Na与H2O反应可自动收集可点燃一体化演示实验教学仪器的实验使用说明：

（1）检查装置的气密性。

（2）用铁夹台将高低U形管夹平，然后从低端管口注满水，并从管口滴1～2滴酚酞。

（3）切割一小块金属钠，并用滤纸将煤油吸干。然后迅速投入U形管的低端口，塞上一个带尖嘴和玻璃旋塞的磨口玻璃塞，让金属钠与水充分反应。

（4）待反应完毕后，用手打开尖嘴导管下方的玻璃旋塞，控制气体的流量，用酒精灯在尖嘴口点燃生成的气体。

（5）实验现象：钠与水剧烈反应，熔成闪亮的金属小球，并在液面上游动；发生反应的U形管低端管的液面迅速下降，另一侧高端管中的液面上升，形成一段高于另一端的水柱；钠与水反应的低端管内的溶液变红。点燃气体时，可见气体安静的燃烧，火苗较长，且火焰呈淡蓝色，直至气体耗尽。

（6）实验结论：滴有酚酞的水变红，说明有碱生成，根据参与反应的物质所含元素来分析一定是氢氧化钠。发生反应的一端（低端）管中液面下降，证明有气体生成，根据参与反应的物质所含元素分析，生成的气体要么是氢气，要么是氧气。因为生成的气体能够在尖嘴口部安静的燃烧，且有淡蓝色的火焰，证明生成的气体一定是氢气。反应方程式应为：2Na+ 2H2O=2NaOH十H2↑

三、研究成果的优点分析及改进设想

（一）新型Na与H2O反应可自动收集可点燃一体化演示实验教学仪器的优点：

（1）组装方便，实验仪器简单

第一次组装好后，重复实验时安装比较方便。本实验装置分为二部分，一是特殊U形管；二是尖嘴导管构成的阀塞。实验仪器简单，可循环使用，降低实验成本。

（2）操作简单，便于教师演示

该实验是将反应装置和气体的收集装置连成一体，利用产生的气体造成一定的压强，将压出的水贮存在一侧较长的管内，同时将生成的气体贮存起来。利用大气压液压原理，在气体点燃时，贮水一侧中的水能顺利地将气体压出，有利于气体的点燃；因为起始液面等高，压出气体时不至于将水压到容器外边，同时又能将气体全部压出，不会残留。火苗的大小可通过控制玻璃阀来控制，该装置的自动化程度比较高。

（3）气体纯净，实验安全有保障

反应前，U形管中注满了水，迅速将放有钠的带有尖嘴的玻璃阀塞在U形管的一端，此时形成了充满水的密闭体系，生成的气体中不会混有空气。虽然钠与水反应是放热反应，但因生成的气体中没有混有空气，不会发生爆炸。钠的用量只影响生成气体的量，不影响实验安全。钠少，生成的气体较少，燃烧时间较短；钠多，生成的气体较多时，据液压原理可知，最多也只能收集到与U形管底端液面持平处，多余的气体会从装有贮水装置的一端中溢出，同时也不会混入空气，实验科学，安全也有保障。

（4）现象明显，便于学生观察分析

在进行该实验时，因为能收集到纯净的气体，点燃时能见气体安静地持继燃烧，有淡蓝色的火焰等明显实验现象，有利于学生观察实验现象

（二）新型Na与H2O反应可自动收集可点燃一体化演示实验教学仪器的进一步完善的设想：

经过课题组半年多的研究及反复实践证明，围绕这一项目所开展的研究的方向是正确的，也取得了良好的研究成果，并在全校先推广使用。当然，受学校条件和个人能力的限制，本项目还存在一些不足，有待于以后的改进和完善。例如：

（1）进一步美化外观，使项目精细化、标准化；

（2）进一化优化性能，如增加刻度，直接读出反应生成气体的体积，从而易于对该反应进行定量研究等；

（3）将演示实验教具开发成适合学生分组实验的标准化实验仪器等。

"研究"是一种复杂的、需要人长期专注、艰辛的工作。看着简单，动手则难，特别是对玻璃仪器的手工加工更是感觉眼高手低，但通过研究获取的成果是令人欣喜的，经历研究过程所培养的科学品质和坚韧意志让人终生受益。

[1]中华人民共和国教育部.高中化学[M].人民教育出版社,2015.

[2]孔玲芸.自制"氢氧燃料电池展板式教具"在化学实验教学中的应用[J].化学教学,2013,(05).

邱进录(1978-),男，汉族，甘肃民勤人，中学一级教师，兰州市第七十一中学教师，研究方向：中学化学教学。