钠与水反应的实验改进

摘要

针对人教版高中化学必修第一册中“钠与水反应”实验存在的局限性，对其演示装置进行创新设计与改进。改进后的装置不仅能全面呈现钠与水反应的剧烈现象，还能有效检验产物氢气，同时增设了喷泉实验环节。该设计显著增强了实验的视觉冲击力和探究性，有利于激发学生的学习兴趣，培养其创新意识与化学学科核心素养。

Graphical abstract

关键词

钠与水的反应 / 实验改进 / 化学科学素养

探究钠与水的反应是认识钠化学性质的重要途径。金属钠性质活泼，可与水发生剧烈反应。该实验为人教版高中化学必修第一册第二章“海水中的重要元素——钠和氯”中的探究性实验^［1］。教材设计固然遵循了“预测产物—观察现象—分析产物”的认知逻辑，但其局限性在于难以对生成的气体进行同步验证。

在传统教学中，教师常依据“嘶嘶”声及钠球游动等现象推断氢气生成，或基于氧化还原反应原理进行分析。教材原方案采用试管收集法，但存在以下问题：①现象观察与气体检验分步进行，割裂了实验的整体性；②反应剧烈，操作难度大，且氢氧化钠溶液易造成腐蚀；③钠块用量难以精准控制，存在安全隐患。针对上述问题，众多研究者对实验装置进行了优化设计^［2-3］，在一定程度上弥补了教材缺陷，但仍普遍存在装置复杂、操作烦琐或趣味性不足的缺点。笔者设计了一款一体化实验装置（图1）。该装置不仅能同步、全面地演示钠与水反应的各种现象，还能安全高效地检验氢气的生成，并增设了喷泉效应，显著提升了实验的可视性与教学价值。

1 实验用品

1.1 仪器

具支锥形瓶，具支烧瓶，蒸发皿，玻璃导管，尖嘴管，橡胶管，橡胶塞，铜丝，止水夹，带铁夹的铁架台，升降台。

1.2 试剂

金属钠，酚酞溶液，肥皂水，蒸馏水。

2 实验设计原理及步骤

2.1 实验设计原理

该装置由具支锥形瓶、具支烧瓶及配套导管等构成。

（1） 导管1：作为平衡管，用于连通具支烧瓶与外界大气，平衡内外气压。

（2） 导管2：一端伸入具支锥形瓶底部，当钠在充满蒸馏水的具支锥形瓶中反应时，生成的气体使瓶内压强增大，将液体压入具支烧瓶，从而形成喷泉现象。

（3） 导管3：用于液体回流及气体检验。当喷泉结束后，打开止水夹A、B，利用重力作用使液体从导管3回流至锥形瓶；同时，残余气体被排入盛有肥皂水的蒸发皿中，通过点燃法（或爆鸣法）检验氢气的生成。

2.2 气密性检查

关闭止水夹A、B，向具支烧瓶中注入约2/3蒸馏水。随后打开止水夹A，观察到水流入具支锥形瓶中；若装置气密性良好，水流一段时间后则停止，且观察一段时间，两瓶内的液面差不变。

2.3 实验步骤

（1） 实验时，关闭两侧止水夹，向蒸发皿中加入适量肥皂水。在具支锥形瓶内注满蒸馏水，并滴加数滴酚酞溶液。取一小块钠，用滤纸吸干表面的煤油，将其固定在插入橡胶塞的铜丝末端，迅速塞紧瓶口。

（2） 钠与水接触后立即发生剧烈反应，熔成银白色光亮的小球，浮于水面快速游动，并发出“嘶嘶”声；溶液迅速变为红色。反应生成的气体增大了瓶内压强，将红色溶液压入具支烧瓶，形成红色喷泉。待喷泉停止后，打开两侧止水夹，烧瓶内溶液在重力作用下沿导管回流至锥形瓶，残余气体则被排入蒸发皿的肥皂水中，产生气泡。

（3） 用燃着的木条靠近气泡，验纯后点燃，可听到尖锐的爆鸣声，并观察到淡蓝色火焰（因钠元素的焰色反应干扰，火焰呈黄中带淡蓝色），证实生成的气体为氢气。

3 实验改进优点

该实验改进具有以下显著优势。

（1） 装置简易，操作便捷。仪器与材料均为实验室常见用品，组装方便，重现性好。

（2） 现象鲜明，功能集成。该装置同步实现了钠与水反应现象的全方位展示、氢气产物的安全验证以及喷泉效果的呈现，兼具直观性与趣味性。

（3） 深化认知，培育素养。通过探究式的学习过程，有效激发了学生的学习兴趣，促进了其对微观反应原理的深度理解，锻炼了科学探究与创新意识，落实了化学学科核心素养的育人目标^［4］。

手持技术凭借数据可视化、现象直观及测量精准等优势，有效弥补了传统实验的局限。该实验的创新之处主要体现在以下4个方面。

4.1 实验流程集约化​

集氯水制备与次氯酸光照分解探究于一体，实现“制后即测”，显著缩短了实验周期，提高了教学时效性。

4.2 发生装置微型化与安全化​

采用KMnO₄与浓HCl的常温反应体系，无需热源，简化了操作并消除了火灾隐患。以注射器替代分液漏斗滴加液体，不仅操作便捷，更降低了装置重心，提升了系统的稳定性。

4.3 尾气处理与监测同步化

在三颈瓶口加装气球，既利用压强平衡原理促进氯气充分溶解，又实现了多余气体的软密封，防止环境污染。同时，引入pH传感器实时监控，以数据拐点辅助判断氯水饱和度，取代了传统凭经验的模糊判断。

4.4 光源控制标准化​

采用紫外灯作为恒定光源，较之日照能量更高且稳定，既大幅缩短反应时间，又有效规避了阴雨天气对实验结果的干扰，确保了实验的可重复性。

5　结语

该实验集氯水制备与次氯酸光照分解探究于一体，借助数字化传感技术直观呈现反应进程中各物种浓度的动态变化，显著提升了实验的定量化水平与可视化程度。研究结果不仅揭示了次氯酸光照分解的微观机理，也为中学化学中关于氯水性质的教学与教研提供了实证依据。

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] 孔瑞，王高军，胡淼，等.钠与水反应实验装置的改进［J］.中学化学教学参考，2024（32）：54-56.

[4] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020． （上接第95页）

[5] 实验优点

基金资助

2023年广东省教育科学规划课题“基于高中化学核心素养下培养学生高阶思维能力的教育研究”(2023YQJK289)