定量视角下金属钠与水反应的创新设计

摘要

金属钠与水的反应是人教版新教材高中化学必修第一册编排的第一个探究实验。在实际教学中，不少师生将探究实验窄化为实验现象的记忆及化学反应的剖析。实践证明，探究实验的不深入、不彻底，很难发展学生的核心素养。在反思金属钠与水反应的实验教学经验及相关文献研究成果基础上，利用一些常规生活用品，以定量视角探究金属钠与水的反应，揭示实验发生的现象及本质，发展学生的理性思维、证据意识及创新精神。

Graphical abstract

关键词

金属钠与水的反应 / 定量视角 / 创新设计

基于核心素养的高中化学实验教学，不应该将实验教学重点放在物质颜色、状态的描述和实验现象的简单记忆上，更应该充分关注培养学生的实验操作能力和观察能力，以及通过观察、推理获取实验数据，并基于实验事实和数据的分析论证，进而得出实验结论的能力；在实验教学中，更要强化学生在实验过程中的真实体验，通过实验教学聚焦关键能力的培养和必备品格的形成^［1］。为此，笔者以金属钠与水反应的探究实验为例，从定量视角揭示实验发生的现象和本质，希望通过实验探究培养学生缜密、严谨、求真的科学品格，以及创新、批判的科学精神。

1 问题的提出

金属钠与水的反应是中学化学教材中的一个经典实验，也是人教版高中化学必修模块编排的第一个探究实验。在该实验中，将一块绿豆大小的金属钠投入盛水的烧杯中（事先滴入2滴酚酞），金属钠与水发生剧烈反应，实验现象直观明显，较好地揭示了金属钠与水发生化学反应的实质。但是如果将一个探究实验仅作简单的演示和“头头是道”的分析，恐怕难以培养学生的科学探究和创新意识，也与“三新”背景下培养学生关键能力的目标背道而驰。在该实验过程中，金属钠与水反应发出“嘶嘶”的声响，一般解释为生成的氢气发生轻微爆炸，但也有学生质疑，“嘶嘶”声也可能来自金属钠与水接触的部位，即水因局部“沸腾”而发出的声响。他们给出的理由是，金属钠与水反应是放热反应，放出的热使金属钠熔化成一个银色的小球，钠的熔点是97.8 ℃，像甘肃这样的高海拔地区，这一温度足以使水沸腾。这从侧面反映了该实验存在一个明显的缺陷，即从实验本身不能很好地证明——发出的“嘶嘶”声响就是氢气的爆鸣声。

2 文献简述

查阅相关文献发现，针对金属钠与水反应的探究实验，许多学者和教师关注的焦点都是金属钠与水反应生成气体的探究方案上，如收集并点燃生成气体的方法，或用生成的气体还原氧化铜的方法等，他们在这方面都进行了大量有意义的探索，比较典型的有：黄馥如等^［2］改进的金属钠与水反应实验装置（图1），赵延军^［3］设计的金属钠与水反应实验装置（图2）等。

他们的研究成果都有一个共同的特点——聚焦生成物，特别是生成气体的定性判断，热衷于实验仪器的改进和创新，如异形实验仪器的使用，还有繁杂实验方案的设计和应用等；而对金属钠与水反应实验现象背后的原因，却很少进行更深入的探究，对产生的气体更是很少有人进行定量分析。

是这个问题不值得探究？还是觉得生成的气体理所当然是氢气，没有探究的价值？针对这一系列问题再次查阅相关文献，发现有人持有类似的观点。如有教师认为，化学实验的“微型化”“数字化”“生活化”“绿色化”都有其各自适用的场合，不一定是课堂真的需要，他们甚至认为把教师的演示实验设计成微型实验，还让学生看什么，明明用手就可以触摸到温度的变化，就没有必要使用温度传感器^［4］。

笔者认为，一个有价值的深层次的实验探究活动，不应该仅局限于对实验结果的定性描述，更应该深刻挖掘实验背后的原因并进行有价值的理性分析，积极倡导学生关注实验过程中的一些“细枝末节”，用理性的探究手段证实或证伪。化学史上的许多重大发现，无一不是科学家潜心研究实验背后的深层原因和理性分析的结果，这方面的史实资料在化学科学的发展长河中不胜枚举。

3 实验创新

3.1 实验原理

钠是一种非常活泼的金属，很容易被空气氧化，它与水反应放出大量的热，其反应热为∆H=-\mathrm{139.779} kJ/mol，反应放出的热量足以使金属钠熔化为液态小球，这些特点更加剧了金属钠与水反应实验的复杂性和反应过程的多样性。

该实验涉及的化学反应主要有以下4个过程。

（1） 钠与水反应：\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}+\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}=\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\uparrow。

（2） 钠被空气氧化：\mathrm{4}\mathrm{N}\mathrm{a}+{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}=\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}。

（3） 氢气燃烧：\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}+{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\stackrel{\mathrm{点燃}}{̿}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}。

（4） 氧化钠与水反应：\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}=\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}。

根据氧化还原反应原理，从化合价升降的角度分析，金属钠与水反应必然有氢气生成。

3.2 实验装置

利用一些常见的生活和医疗用品，如废弃的饮料瓶、细铁丝、一次性注射器、带有控制阀和针头的输液管等，设计并组装如图3所示的实验装置。采用探究性实验方案从定量视角探究金属钠与水反应的实验现象和产物，通过深入的实验探究，培养学生批判、创新的科学精神和缜密、严谨的学习作风。

3.3 实验步骤

（1） 取一只洗涤干净的饮料瓶，按图3所示组装好实验装置，检查其气密性——将带有输液管的针头插入盛水的小烧杯中，轻轻摁压注射器活塞，发现烧杯中产生大量气泡，说明气密性良好。

（2） 用量筒量取150 mL蒸馏水并加入饮料瓶中，备用；用电子天平准确称量绿豆大小金属钠的质量，将称量好的金属钠戳在细铁丝上；塞紧橡皮塞，向上抽拉细铁丝，金属钠掉入水中与水发生化学反应；观察产生的实验现象，发现注射器活塞向上移动。

（3） 待反应结束，且注射器活塞位置不再发生位移时，记录注射器内气体的体积，并将实验数据填入表1中。

（4） 将带有输液管的针头插入盛有肥皂水的蒸发皿中，打开控制阀，向下摁压注射器活塞，发现蒸发皿中产生大量气泡；用火柴点燃气泡，立即发出爆鸣声，初步证明金属钠与水反应生成的气体是氢气。

（5） 去掉饮料瓶上的橡皮塞，用pH计测量溶液的pH，并将实验数据填入表1中。

（6） 为了保证实验结果的精确，重复上述实验2～3次，将实验数据填入表1中。

3.4 现象分析

在实验室条件下，测得实验室温度为20 ℃，甘肃武威属于高海拔地区，数据显示本地压强为8.66×10⁴ Pa，根据理想气体状态方程：pV=nRT，很容易计算出在当时条件下生成气体的物质的量，实验数据计算如表2所示。

由上述步骤4，初步判断生成的气体是氢气，如果“\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}+\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}=\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}+{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\uparrow”反应成立，又知道氢气在该实验条件下的物质的量，则很容易通过计算得出消耗金属钠的质量。例如，计算得出表2“换算后金属钠的质量”的数据，发现该项数据在实验误差允许的范围内，与3次实验“金属钠的质量”数据比较接近。误差的原因主要体现在如下两个方面：一是实验中用到的量气装置为医用注射器，相对于称量装置电子天平（精确度0.001 g）算是比较粗糙的仪器，但其胜在轻便、实验现象明显和读取数据方便；二是切取的金属钠在称量等实验环节中不可避免地被空气氧化，必然有微小损耗。

这些客观因素的存在，使得金属钠与水反应产生的气体体积偏小，换算后消耗的金属钠的质量也偏小。这项实验探究活动，较好地从定量视角证明了金属钠与水反应生成的气体就是氢气。

回到一开始提出的问题，即金属钠与水反应发出的“嘶嘶”声响，到底是氢气的爆鸣声，还是熔化的金属钠（金属钠熔点为97.8 ℃）与水接触部位（水发生了局部沸腾）发出的声响？李顺巧等^［5］通过红外热成像仪测出金属钠与水反应时的温度从最初的20 ℃迅速升高到反应最剧烈时的72 ℃，这表明金属钠熔化放出的热量被周围“众多”的水所吸收，即便在高海拔地区，这一温度也不足以使水沸腾，但这一温度会使水受热挥发，产生大量的水蒸气。显然，“嘶嘶”的声响不可能是水沸腾发出的声音。

再者，金属钠的密度为0.971 g/cm³，虽然其密度比水的密度小，但与水的密度极为接近。金属钠底部与水产生的氢气形成的“气垫”像一只微型“羊皮筏子”，使金属钠更易于漂浮在水面上，同时金属钠周围产生的氢气气泡在逸出和“爆破”过程中会对金属钠有反向“推动”作用，正是在这一作用力的作用下，熔化的金属钠在水面上迅速游动；如果真是由水的局部沸腾导致的声响，那么熔化的金属钠应该是上下跳动，而不是在水面上游动。

3.5 实验优点

（1） 此次探究实验活动的数据采集与分析准确合理，既有定性判断，也有理性分析和定量计算；同时，兼顾微观辨析与宏观证实和证伪，很好地强化了学生的学科核心素养，发展了学生的关键能力。

（2） 该实验是对教材“金属钠与水反应”探究实验的二次设计，呈现给学生的是一次实实在在的探究过程和问题解决模式，特别是融合了理化学科对理想气体状态方程的应用。实践证明，跨学科实验探究活动更有利于培养学生的科学探究能力和实践创新精神。

（3） 在实验设计过程中，选择生活中常见的饮料瓶、注射器、输液管（带控制阀、针头）、细铁丝等物品，拉近了“高大上”的探究实验与学生日常生活的距离，更容易使学生走进生活，进入社会，树立节约和环保意识。同时，合理开发和应用这些物品，便于山区和农村等实验经费薄弱的学校开展实验探究活动。

4 结语

化学实验探究不仅是一种重要的学习方式，也是中学化学课程的重要内容，它对发展学生学科素养具有不可替代的作用。化学实验教学倡导以情境教学为抓手，增强教育过程的活动性、探究性和成长性，这才是衡量探究实验是否有意义、是否有价值的重要标准。

参考文献

[1] 吴星.全面提高学生义务教育化学课程所要培养的核心素养：《义务教育化学课程标准（2022年版）》解读（一）［J］.化学教学，2022（09）：3-8．

[2] 黄馥如，黄丽文，衷明华.钠与水反应实验的改进［J］.中学教学参考，2014（23）：100．

[3] 赵延军.基于核心素养发展的深度学习实验改进案例：以自制“钠与水反应”的实验装置为例［J］.教育与装备研究，2023，39（07）：76-78．

[4] 毕晓昀，张会清.钠与水反应实验装置的改进［J］.化学教学，2020（06）：68-71．

[5] 李顺巧，龚英，杨子慧，等.红外热成像仪下钠的性质及其热效应［J］.化学教学，2022（02）：74-77．