利用注射器实现钠与水反应实验的可控化

摘要

针对教材和文献中钠与水反应实验存在的不足，利用“橡胶管+注射器”对实验进行深度改进。该改进装置简洁安全且具有可控性，表现为：钠在油水交界面反应，反应不剧烈，避免了起火、爆炸、飞溅等现象；反应中钠上下跳动，现象明显且有趣；实验可随关随停，既可控又节约药品。该改进装置还能收集并验证产物氢气，有助于培养学生“基于证据进行事实推理”的化学核心素养。

Graphical abstract

关键词

钠与水反应 / 注射器 / 安全可控 / 氢气检验

“钠与水反应的探究实验”是人教版高中化学必修第一册第二章第一节的内容，旨在加深学生对钠的性质的认识，培养学生观察、获取证据并进行分析的能力。实验主要操作为^［1］：在烧杯中加入一些水，滴入几滴酚酞溶液，然后把一块绿豆大的钠放入水中。该实验方案固然简单易行，但也存在以下问题：①钠与水反应剧烈，容易造成喷溅，存在一定的安全隐患（教材中也明确强调，不要近距离俯视烧杯）；②反应在敞口烧杯中进行，可能有气味，不符合绿色化学理念；③反应不具有可控性，钠与水一旦接触，就无法中途停止；④实验中，对于生成物氢气的判断，仅有理论分析，没有确切的实验证据，因此缺少实验设计和探究未知的过程体验。

1 文献分析

针对教材实验存在的问题，许多研究者对钠与水的反应进行分析并提出改进方案。分析近5年相关文献发现，绝大多数改进的核心，均是在保证实验安全性的前提下实现氢气的检验。何丽等^［2］利用注射器和自制铝套对钠与水反应实验进行了改进，并探究了钠与水反应的产物，利用该装置可以清晰看到氢气燃烧时的淡蓝色火焰，但仅10 mL大小的注射器限制了学生对于“浮、熔、游、响、红”等现象的观察；陈晓芹等^［3］利用三颈烧瓶、尖嘴管、塑料瓶等材料改进的方案还增加了喷泉效果，提高了实验的趣味性，但装置过于复杂，且三颈烧瓶上方空气较多，导致氢气不纯，增大了爆炸风险；刘玉荣等^［4］综述钠与水反应的改进实验，依据实验装置的相似性将改进实验分为4类，但新设计装置的操作便捷性有待提升，如虽然使用了注射器，但反应不可随时关启，且钠的用量需要严格控制，以免产生过多氢气；王维琪等^［5］利用离心管和气球组成的密闭装置实现氢气的收集和检验，装置虽简洁，但管内空气未排除，氢气不纯且实验的可控性有待改进；张亚文等^［6］利用U形管、漏斗和橡胶塞改进装置，如用注射器针头作为氢气点燃口，避免了钠元素干扰，使氢气检验时的淡蓝色更明显，但未实现钠与水反应实验的可控性；苏雨禾^［7］基于连通器原理改进的装置，能凭借排水法收集氢气并进行检验，但在实际操作中需要通过“塞塞子”的操作让钠与水接触，在这个过程中仍会导致氢气不纯。

综上可知，这些改进方案仍存在问题，如缺乏整体思考，仅改进某一方面，导致实验装置复杂，抑或是未能解决安全性和可控性问题等。因此，笔者利用注射器对钠与水反应实验进行了深度的创新设计（该成果在广东省中小学实验精品遴选活动中荣获高中化学组一等奖）。

2 实验原理

实验涉及的化学方程式为：\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}}↑。实验装置主要由“注射器和橡胶管”构成（图1）。将玻璃器皿换成塑料注射器，既可以实现体系密封，降低异味和烟雾的扩散，还可以随时关停反应，具有可控且节约药品的优点；利用软管可实现产物的收集和验证，从而培养学生基于证据进行科学推断的能力。

钠是典型活泼金属，可以与水反应。钠的密度介于煤油和水之间，使用煤油和水两种液体，可以让钠在煤油和水的界面处反应，在降低反应速率的同时拉动左侧注射器，遂使钠与水分离，从而让反应随关随停。另外，肥皂泡可以收集反应生成的气体并进行检验。

3 实验仪器和实验药品

（1） 实验仪器：铁架台、橡胶塞、橡胶管、100 mL注射器、镊子、滤纸、水槽、玻璃片、小刀、点火枪、止水夹。

（2） 实验药品：钠、蒸馏水、肥皂液、酚酞试液、煤油。

4 实验步骤及实验现象

4.1 实验步骤

（1） 按图1所示连接装置，检验装置气密性；向右侧100 mL注射器中加入30 mL蒸馏水，先滴加几滴酚酞溶液，再加入20 mL煤油；抽动左侧注射器，使油水分离（煤油在右侧注射器中，水在左侧注射器中），关闭止水夹。

（2） 把绿豆大小的金属钠放入右侧注射器中，塞上带导气管的橡皮塞，再把导气管放入盛有肥皂水的水槽中。

（3） 打开止水夹，推动左侧注射器，使钠与水接触，引发反应，产生的气体从右侧导管导入肥皂水中，形成包裹气体的肥皂泡，用点火枪点燃气体。

（4） 拉动左侧注射器活塞，使水全部进入左侧注射器中，钠与水分离，反应停止；随后，推动注射器使水与钠接触，反应继续进行。在实验中，通过推拉注射器活塞，可以控制反应的启与停。

4.2 实验现象

当钠与水接触后，可明显观察到钠在两层液体界面处上下跳动，增强了实验的趣味性。注射器的水溶液瞬间变成红色，同时肥皂水中有大量无色气泡生成，用点火枪点燃初期的气泡，听到爆鸣声；几分钟后再点燃时，气体安静燃烧，发出淡蓝色火焰；在火焰上方罩一个干冷的小烧杯，观察到烧杯内壁有水珠生成，此实验现象可证明生成的气体是氢气；用手触摸右侧注射器，管壁发热，证明反应是放热反应。这样的设计，有利于培养学生基于证据进行事实推理的能力。

5 实验改进优点

（1） 操作简便：简单地推拉注射器活塞，就能够实现钠与水的可控化反应，凸显了操作的便利性。

（2） 安全环保：实验器材由玻璃器皿换成塑料注射器，实验体系相对密封，即使钠表面的煤油没有擦干净，也不会有异味和烟雾扩散到环境中，提升了安全性；通过水与钠的分离，可以随时关停反应，既可控又节约药品。

（3） 生动有趣：在钠、煤油、水组成的体系中，钠上下跳动，反应现象比钠、水体系更明显，更易于增强学生的感性认识，从而增强了学生探索科学原理的兴趣和动力。

（4） 构思精巧：设计安全的肥皂泡实验，鼓泡明显，用点火枪点燃，爆鸣声响亮。这一巧妙构思彰显了收集实验证据、验证推理等方式的教学价值，有助于培养学生“基于证据进行事实推理”的化学学科核心素养。

（5） 内涵丰富：实验装置涵盖了钠与水反应的多个问题，以及金属钠的保存和物理性质等方面的问题，有助于学生构建知识体系。

实验的创新设计表现在：现象明显（钠在液体中上下跳动），趣味性十足，能激发学生的学习兴趣；氢气的收集证明实验，有利于培养学生的科学探究、证据推理等核心素养；使用医用注射器创新实验装置，能够培养学生的环保意识与敢于质疑、勇于创新的科学精神。

参考文献

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心.普通高中教科书化学必修第一册［Ｍ］.北京：人民教育出版社，2019.

[2] 何丽，文丰玉.钠与水反应实验的再改进［J］.实验教学与仪器，2022，39（12）：25-26.

[3] 陈晓芹，黄紫洋.钠与水反应趣味性演示探究实验的设计［J］.化学教学，2020（07）：69-72.

[4] 刘玉荣，王阳.钠与水反应的改进实验综述及新设计［J］.化学教学，2018（12）：75-80.

[5] 王维琪，程萍.钠切片实验的新发现及钠与水反应实验的改进［J］.化学教育，2021，42（05）：82.

[6] 张亚文，张中华，熊娟.钠与水反应实验再改进［J］.中学化学教学参考，2023，10（29）：72.

[7] 苏雨禾.“钠与水反应”实验装置的改进［J］.实验教学与仪器，2021，38（12）：28-29.