钠与水反应一体化装置设计及迭代优化

摘要

通过对国内3个版本高中化学必修一中“钠与水反应”模块的对比研究发现，教材实验均在敞口室温下进行，现象固然显著，但无法验证气体成分。为此，经3次递进式改进与升级（形成3套递进式实验装置），实现了无氧条件下气体制备与检验的一体化，兼具定性与定量功能。改进实验教具可复制性强、利用率高，值得推广，最终促进学生科学探究能力、创新意识与社会责任感的综合培育。

Graphical abstract

关键词

钠与水反应 / 一体化装置 / 设计 / 迭代优化 / 改进 / 升级

“钠与水反应”是活泼金属单质钠的重要化学性质。该节课的学习目标是通过小组合作完成实验、讨论现象与结论，提升合作探究能力和逻辑推理能力，掌握从实验现象推导化学性质的科学探究方法。钠的原子结构决定其具有强还原性，与水反应剧烈放热、溶液具有腐蚀性，产生的氢气与空气混合易引燃甚至爆炸。出于课堂安全的考量，该反应在教学中通常以教师演示实验为主。为既保障安全又激发学生化学学习热情，笔者对钠与水反应的实验装置进行迭代改进与升级，既保留实验现象的直观性，又降低安全风险，进而促进学生科学探究与创新意识素养的培养。

1 问题的提出

在中国知网中以“钠与水反应”为主题，限定核心期刊（《化学教育》《化学教学》）、时间范围（1993—2025年）进行精准检索，共获得有效文献31篇。笔者研读近5年15篇代表性文献发现，多数文章在装置优化或实验设计上有不同程度的新突破，体现了该实验“不断改进、逐步完善”的研究脉络。文献主要围绕钠与水反应的装置优化、实验设计创新及趣味性改进等方向展开^［1-7］，通过对比分析各类方案，可提炼其异同点与优化思路。文献主要涉及钠与水反应的装置更新、钠块取用方法改进等方面，但尚未见国内3版高中化学必修教材的对比研究，也鲜有对反应产生氢气的系统检验与验证。为此，笔者所在研究团队在前人研究基础上，首先对比国内3个版本教材的“钠与水反应”模块设计差异，再结合学生提出的“安全便携”需求与教师提出的“气体验证”方案改进实验装置，最终实现了无氧条件下氢气的定性与定量检验，弥补了现有研究的不足。

2 3种版本教材的实验方案

2.1 3种版本教材实验的呈现

3种版本教材实验的对比如表1所示。

2.2 钠与水反应的实验现象、分析或结论

钠与水的反应的实验现象、分析或结论如表2所示。

3 实验方案的迭代优化

为落实实验课程的育人目标，提升学生的实践能力，笔者整理了近5年聚焦钠与水反应装置优化的15篇核心文献并印发给学生，引导其在课间阅读与思考。随后将班级学生分为12个学习小组，要求组内讨论、设计并制作属于小组共同智慧的实验改进装置；组间通过对比与竞争开展互评，促进思维碰撞与智慧交流。最终，经层层选拔与优中选优的深度改进，学生设计出3套既便于安全操作、符合学生认知特点，又便于氢气检验与验证的装置——这3套装置是对前人实验装置的迭代升级成果，最终进行展示与分享。

3.1 矿泉水瓶改进法

如图1所示，向矿泉水瓶中注入约100 mL蒸馏水，滴加两滴酚酞溶液；用镊子取出钠块，滤纸吸干表面煤油后，用小刀刮去灰色氧化膜，切割两块绿豆粒大小的钠（质量共约0.1 g），用铁丝固定于橡胶塞下端。通过按压矿泉水瓶将内部空气排空，用携带小钠块的橡胶塞塞住，并确保密封性，钠与水接触并发生反应：2Na+2H₂O=2NaOH+H₂↑，待矿泉水瓶鼓起后，用注射器插入瓶身吸取产生的气体。吸取一定体积后拔出注射器，将注射器针头靠近火柴火焰，向内推动注射器推杆，针头处逸出的气体被点燃，产生淡蓝色火焰，在火焰上罩住一个干燥的小烧杯，发现烧杯内壁产生水雾，且烧杯变热甚至有些烫手。

3.2 注射器套注射器改进法

如图2所示。向内部的小注射器筒中放入绿豆粒粗细的长钠条，排尽空气后，用凡士林将上端密封。推动大注射器推杆，排尽空气，并吸收15 mL左右的蒸馏水，安装注射器细针头并将其封住。将小注射器内的钠推入大注射器的水中，钠与水接触发生反应：2Na+2H₂O=2NaOH+H₂↑。反应结束后，向内推动大注射器推杆，同时用火柴点燃针头处外逸的气体，边燃烧边向内推动大注射器推杆，燃烧并发出淡蓝色火焰，同时在火焰上罩住一个干燥的小烧杯，发现烧杯内壁产生水雾，且烧杯变热有些烫手。

3.3 带连通阀的注射器改进法

采用50 mL注射器与20 mL注射器组合，分别安装于带螺纹的三通阀非螺纹端口；三通阀带螺纹一端连接二通阀，二通阀带螺纹端连接细针头，装置如图3所示。整套装置密封性好、操作简便。

实验操作步骤及现象：①组装实验装置，排尽装置内的空气，并检查整套装置的气密性。②向20 mL注射器中吸入15 mL滴有酚酞指示剂的蒸馏水，连接在装置的三通阀上。向50 mL注射器中加入0.15 g吸干表面煤油的钠块，推动注射器推杆排尽内部空气。③关闭二通阀，打开三通阀，将小注射器中的水快速推入大注射器中，立即关闭三通阀，让钠与水在密闭容器中反应。④一段时间后，打开三通阀，让气液在大小注射器中循环。反应接近完成时，将溶液全部转移到小注射器中，气体推入大注射器中，待反应结束，关闭小注射器阀门，读取气体体积。⑤打开二通阀，推动注射器推杆，再用火柴点燃逸出的气体，气体燃烧并产生淡蓝色火焰。同时，在火焰上方罩一只干燥小烧杯，并持续燃烧。⑥产生的气体燃烧完毕，小烧杯内壁附着有雾状水珠，燃烧放热使得小烧杯变热。

4 结语

利用矿泉水瓶进行实验，钠的用量和水的体积比例是影响实验效果的关键因素。若钠用量过少，制备的氢气量不足，后续气体验证效果不理想；若钠用量过多，生成的氢气易将瓶塞冲开。另外，整套反应装置未实现一体化，可能存在氢气未完全处理而直接排放到大气中的问题。

采用注射器套用注射器改进法进行钠与水反应，钠的用量是核心。钠的用量太多会将注射器的推杆顶出，甚至导致液体从小注射器推杆处渗漏；若钠用量过少，则产生的氢气少，不便于后续检验，甚至实验现象不明显。

为了让整套实验装置密封性更好，且具备缓冲效果，利用带螺纹的连通阀与注射器相连。根据两支注射器的总体积定量吸入水的体积，计算所用钠的质量，进而能得出产生气体的体积。避免了钠用量的过多或者过少对实验的影响，且通过这种连通方式，能制备并吸收一大注射器（约50 mL）的气体，为后续对该气体的验证提供了量的保障。同时，产生的气体能通过推送注射器推杆使其完全燃烧，不至于污染大气，避免产生安全隐患。

3套改进实验装置不断升级。从选用生活中的矿泉水塑料瓶到医用注射器，在不影响实验现象的前提下，较以前的文献存在以下优势：①反应在密封、排尽装置内空气的条件下进行；②由敞口的制备实验升级为一体化制备和检验装置；③能实现由定性实验到定量实验的转变；④可对反应仪器进行拆卸或组装，或者根据实验要求对装置的注射器进行适当的增容或减容，便于学生操作。

参考文献

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