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【探究课例】金属钠与水反应的现象深入探究

发现问题(一)金属钠与水反应产生的是“烟”还是“雾”。

提出假设:若产生的是“烟”,即为固体小颗粒,根据元素守恒,颗粒可能的就是NaNa2ONa2O2NaOHNa2CO3

若产生的是“雾”则就是金属钠与水反应放热,水蒸气挥发后凝结成小水滴。

实验探究:由于这几种物质溶与水或与水反应都是碱或碱性的物质,因此可设计如下实验加以验证:

实验一: 在盛有水的烧杯上方罩上一个较大的漏斗,漏斗内壁上贴几张湿润的红色石蕊试纸或酚酞试纸。当把金属钠投入烧杯中,钠与水反应生成的白色雾样一般不致使这些指示剂显色。偶见指示剂(试纸)上有少数显色斑点,这显然是钠与水激烈反应——燃烧和爆炸时飞溅在试纸上的碱液引起的。特别是反应停止后,这些尚未消失的浓浓白色物,无论对何种酸碱指示剂均不起作用。

实验二:我让钠在集气瓶中跟水反应,生成的白色物浓浓聚集,用贴有润湿红色石蕊试纸的盖玻片盖住集气瓶口,或用载有酚酞试纸的玻璃棒在白色物样中检测,均未发现指示剂显色。

得出结论:金属钠与水反应的这个现象解释为“雾”。

发现问题(二):金属钠与水反应时,除听到“嘶嘶”的响声,还有的组看到金属钠表面发生燃烧,甚至发生轻微的“啪啪”爆炸声。

理论分析:漂浮在水面上的钠,在与水反应产生氢气的同时,尽管没有燃烧,裸露在空气中的那部分钠,无疑会有较多的Na­2O和少量Na2O2生成,并立即跟水反应生成NaOH,最初2Na+2H2O=2NaOH+H2Na熔化后 4Na+O2=2Na2O (燃前)2Na2O+O2=2Na2O2(少量) Na2O+H2O=2NaOH 2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2

以上均系 放热反应。由于H2O2反应不点燃而靠加热是需要较高的温度(接近600度),所以首先着火的不应是H2,而是Na: 即金属NaO2反应生成过氧化钠,继Na着火之后,立刻就是H2被钠焰点着,呈现NaH2同时在空气中燃烧的情况。 与此同时,Na燃烧生成较多的Na2O2与水反应生成O2,当反应生成的O2H2在它的爆炸极限以内就形成爆炸性混合气体,在钠球附近产生断续的“啪啪”爆炸声。

由此可见,钠与水反应的燃烧现象,不仅有钠在燃烧,也有氢气在燃烧,而且是钠球先着火再引燃氢气;钠与水反应的断续爆炸现象,则主要是Na2O2与水反应生成的氧气与钠跟水反应产生的氢气混合后被点火引起的。

我们注意到,这种燃烧和爆炸,总是受钠球上方空气中O2的量所制约的。当钠球上方的空气被氢气赶走到极稀少时,这种燃烧将难于进行,爆炸更是无从发生。由于许多实验者总是习惯在烧杯内做钠与水反应的实验,因此,水面上方的空气被反应生成的氢气(或水蒸气)赶走的量总是很有限的,所以钠与水反应的燃烧和爆炸现象是必然的。如果创造一个无氧环境,让钠在惰性气体或其他还原性气体中只与水反应,这种燃烧与爆炸就无从发生了。下面两个钠与水反应的实验,就是为达到这一目的而设计的。

实验探究

如下装置,在盛满水的U形管的左边管口胶塞扎一大头钉,将金属钠扎在上面。,迅速用橡皮塞紧塞管口。这时也只见钠与水剧烈反应被熔化成钠球,产生的氢气把管内的水排入水槽内。实验非常安全,也从未发现有燃烧和爆炸的现象发生。实验也表明了,仅仅靠Na跟水反应产生的热就足以使金属钠熔化。

以下几个改进后的简易装置也同样能达到上述实验的效果。

实验结论:金属钠与水反应产生的微弱的爆炸现象,和小烧杯内存有的空气有直接关系。如果创设无氧气环境,即使蚕豆粒大小的金属钠与水反应也是安全,平稳的。

    
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