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摘要：一般地，對“鈉與水反應(yīng)”產(chǎn)生氫氣的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法，主要為點(diǎn)燃?xì)怏w或者用肥皂泡進(jìn)行驗(yàn)證，此方法可操作性不強(qiáng)，且有一定安全隱患。本實(shí)驗(yàn)利用探針式溫度計(jì)和便攜ADKS-1檢漏儀，設(shè)置一套多功能數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置，集氣體發(fā)生、收集、檢驗(yàn)于一體，具有可視性強(qiáng)、安全性高、操作便捷等特點(diǎn)，希望為一線教師提供一定的幫助。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；探針式溫度計(jì)；便攜ADKS-1檢漏儀；可視化

文章編號：1008-0546（2023）07-0092-02 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.018

一、 “鈉與水反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的背景

現(xiàn)行人教版、魯科版、蘇教版三個(gè)教材版本中，鈉與水的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)均采用敞口的實(shí)驗(yàn)裝置。人教版教材中的實(shí)驗(yàn)是在裝有水和酚酞的燒杯中放入綠豆大小的鈉，可觀察到鈉塊浮在水面上，熔化，迅速游動，溶液變紅，并發(fā)出嘶嘶聲響。[1] 雖然，現(xiàn)象具有一定的可視性，也能一定程度說明鈉的化學(xué)性質(zhì)，但仍存在以下不足：（1）安全性不高：鈉與水反應(yīng)十分劇烈，反應(yīng)在敞口燒杯中進(jìn)行，容易發(fā)生液體飛濺。實(shí)驗(yàn)過程中還會生成白色煙霧狀物質(zhì)-被水蒸氣帶出的氫氧化鈉。[2] 在敞口的實(shí)驗(yàn)條件下，人體吸入堿性物質(zhì)具有一定的危害，存在安全隱患。（2）氣體驗(yàn)證性不足：在教材實(shí)驗(yàn)中，是產(chǎn)生了氣體推動鈉塊游動，還是反應(yīng)放出大量的熱推動鈉塊，難以驗(yàn)證。并且，敞口容器無法收集并檢驗(yàn)氣體，得出氣體是氫氣的結(jié)論缺乏說服力。（3）可視性不強(qiáng)：反應(yīng)過程中溫度的變化和產(chǎn)生的氣體難以觀察到，可視性不強(qiáng)。

二、 “鈉與水反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)過程

1. 實(shí)驗(yàn)原理

鈉與水反應(yīng)生成氫氧化鈉和氫氣：2Na+2H 2 O =2NaOH + H 2 ↑。氫氧化鈉為強(qiáng)堿，可用指示劑酚酞檢驗(yàn)。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，探針式溫度計(jì)可以檢測反應(yīng)過程中的溫度變化。該反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的量少，且氫氣密度低，很容易擴(kuò)散到空氣中，點(diǎn)燃等方法較難驗(yàn)證氫氣。便攜 ADKS-1 檢漏儀能檢測 0-10000 μmol/mol（ppm）的氫氣，靈敏度極高，當(dāng)檢測擴(kuò)散到空氣中的氫氣時(shí)，還能發(fā)出報(bào)警聲，進(jìn)行警示。（H 2 ∶1 ppm=1 mg/L=0.0005 mol/L）

2. 實(shí)驗(yàn)計(jì)算

錐形瓶（150 mL = 0.15 L）

生成氫氣體積≤ 150 mL

氫氣密度 = 0.0899 g/L = 89.90 ppm

n（氫氣）=（0.0899 g /L）×（0.15 L）÷（2 g/mol）=0.0067 mol

m（鈉）= 2 × n（氫氣）×（23 g/mol）= 0.3101 g

選取鈉質(zhì)量≤ 0.31 g

3. 實(shí)驗(yàn)裝置及試劑

（1）實(shí)驗(yàn)儀器

鑷子、濾紙、電子天平、小刀、150 mL錐形瓶、長頸漏斗、轉(zhuǎn)角管、橡皮管、止水夾、尖嘴導(dǎo)管、探針式溫度計(jì)（見圖1）、便攜ADKS-1檢漏儀（見圖2）。

（2）實(shí)驗(yàn)試劑

蒸餾水、酚酞、煤油、一顆約為0.31g大小的鈉。

（3）實(shí)驗(yàn)裝置

4. 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1）實(shí)驗(yàn)步驟

①檢查氣密性：關(guān)閉彈簧夾，從長頸漏斗處倒水，若形成一段穩(wěn)定的水柱，則證明裝置氣密性好。

②加水：往錐形瓶中加水至錐形瓶2/3處，往水中加入2到3滴酚酞，充分混合。

③加煤油：用膠頭滴管加入兩滴管的煤油，可以看到明顯的分層。

④記錄最初溫度：將探針式溫度計(jì)插入煤油和水面之間的位置，記錄最初的溫度T 1 。

⑤放鈉：關(guān)閉彈簧夾，用鑷子取切割好的鈉投入到錐形瓶中，馬上塞住橡皮塞。[3]

⑥檢測：反應(yīng)一段時(shí)間后，記錄探針式溫度計(jì)溫度T 2 。打開彈簧夾，將便攜ADKS-1檢漏儀探頭對準(zhǔn)尖嘴導(dǎo)管。

（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

煤油與水分層，且水層在煤油下面。加入鈉塊后，鈉處在水和煤油中間。反應(yīng)時(shí)，鈉在煤油和水面上下跳動。隨著反應(yīng)進(jìn)行，水逐漸變紅，鈉塊逐漸熔化消失。探針式溫度計(jì)初始溫度T 1 為28.5 ℃，結(jié)束后溫度T 2 為31.5 ℃，長頸漏斗液面逐漸上升。打開彈簧夾，長頸漏斗液面下降。便攜ADKS-1檢漏儀指示燈閃爍變紅，發(fā)出報(bào)警聲，進(jìn)行警示。電子屏幕上開始顯示氫氣數(shù)值，且最大值為2899 ppm。

5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及創(chuàng)新點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)如下（1）密度可視化：鈉處在水和煤油中間，可以直觀比較三者密度的大小。（2）溫度可視化：用探針式溫度計(jì)可以直接觀察反應(yīng)過程中溫度的變化。（3）氣體可視化：關(guān)閉彈簧夾時(shí)，長頸漏斗液面上升，可感知錐形瓶內(nèi)產(chǎn)生了氣體而導(dǎo)致壓強(qiáng)變大。打開彈簧夾后氣體檢測器進(jìn)一步數(shù)字化地驗(yàn)證了氫氣的產(chǎn)生。（4）實(shí)驗(yàn)安全化：采用水、鈉、煤油混合體系，可以減緩鈉與水反應(yīng)的劇烈程度，進(jìn)而使氫氣緩緩產(chǎn)生。用氣體檢測儀檢驗(yàn)氫氣，相較傳統(tǒng)“點(diǎn)燃?xì)怏w”和“點(diǎn)燃肥皂泡”的方法，更具有安全性。（5）實(shí)驗(yàn)靈敏性高：傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，很難將氫氣點(diǎn)燃。一方面產(chǎn)生的氫氣帶有水蒸氣，不干燥。另一方面，氫氣的密度很小，很容易擴(kuò)散到空氣中，加之量少，很難點(diǎn)燃。而1 ppm H 2 =1 mg/L=0.0005 mol/L H 2 ，檢測儀能靈敏地檢測到0-10000 μmol/mol （ppm）的氫氣，需要的量極少，靈敏度極高。

三、實(shí)驗(yàn)的后續(xù)運(yùn)用

1. 氣體檢測多樣性

當(dāng)傳統(tǒng)的化學(xué)方法檢測氣體存在安全隱患，或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象不明顯時(shí)，可以考慮用數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行驗(yàn)證，安全性高，特征性強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)采用四合一氣體檢測儀，除了能檢測氫氣外，還能檢測中學(xué)階段常見的硫化氫、一氧化碳、天然氣等氣體。除四合一氣體檢測儀外，還有專一性的氣體檢測儀，特征性檢驗(yàn)氣體。比如氫氣檢測儀只能檢驗(yàn)氫氣，硫化氫氣體檢測儀只能檢測硫化氫。專一性氣體檢測儀可定制，比如二氧化硫、氯化氫、磷化氫等氣體。專一性氣體檢測儀較四合一氣體檢測儀價(jià)格昂貴。如果不存在干擾性氣體，可選用四合一氣體檢測儀，如果檢測氣體混有其他干擾性氣體時(shí)，則需選擇專一性氣體檢測儀。

2. 使用場所廣泛性

除中學(xué)實(shí)驗(yàn)室可使用氣體檢測儀外，在需要制備或使用氫氣的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中也會安裝氣體檢測儀，檢測氣體是否泄漏，從而保證實(shí)驗(yàn)室安全。在日常生活中，比如加油站甚至家庭廚房也可安裝，從而保證可燃性氣體的使用安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心. 普通高中化學(xué)教科書·化學(xué)（必修）第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2] 魏毅鳴，楊曉麗. 關(guān)于鈉與水反應(yīng)生成的白色煙霧的實(shí)驗(yàn)探究[J]. 化學(xué)教學(xué)，2019（1）：64-67.

[3] 葉永謙，張賢金，吳新建. 鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的再設(shè)計(jì)及多種教學(xué)運(yùn)用[J]. 化學(xué)教育（中英文），2018，39（7）：60-62.