钠与水反应爆炸原因的实验再探究
时间：2023-10-24 17:55:12 来源：小苹果范文网 本文已影响 人 
李元华 叶永谦
摘要：
教材中对钠与水演示实验后期偶发爆炸存在不同解释。通过控制钠球的游动和对其表面积进行处理等方法进行钠与水反应发生爆炸原因的探究，发现存在熔融钠的小火球爆炸和氢氧混合气体爆炸两种爆炸形式。认为教材演示实验存在的偶发爆炸是熔融钠的小火球爆炸，并通过实验证明该爆炸遇水或空气均可发生。实验方案的设计及探究过程有利于学生增强證据推理能力和安全环保意识，促进核心素养的发展。
关键词：
钠与水反应; 爆炸原因; 实验探究
文章编号：
10056629（2022）06006504
中图分类号：
G633.8
文献标识码：
B
1 问题的提出
钠与水反应是中学化学研究活泼金属性质的重要反应，教材中的演示实验一般是将绿豆大小的金属钠投入装有水的烧杯中观察现象。最新修订的鲁科版和苏教版普通高中教科书《化学（第一册）》也是如此。由于该实验后期偶有轻微爆炸的现象发生[1]，人们对爆炸的原因有多种不同解释：
孙成斌老师认为是钠与水反应产生的氢气在空气中燃烧导致的爆炸[2];刘怀乐老师认为是反应产物过氧化钠与水接触生成的氧气和氢气混合燃烧导致的爆炸[3];王伟列老师认为是反应放出大量的热使水迅速蒸发，常温下的水瞬间变为水蒸气，体积急剧膨胀导致爆炸的发生[4]。以上三位老师均基于教材演示实验进行了研究。为了进一步探究爆炸的原因，曾显林老师把绿豆大小的金属钠置于湿润滤纸上，使用数字影像技术辅助进行研究，认为爆炸的原因是钠与水反应的产物氢氧化钠受热形成无色透明的熔融状态小球，该小球与水接触后因外部急速降温导致内外受热不均而引发爆炸[5];捷克化学家Philip E.Mason、 Pavel Jungwirth等使用室温下保持液体状态的钠钾合金装在注射器注入水中，利用超高速摄影和计算方法进行研究，认为是熔融钠球与水接触的瞬间，电子从熔融钠球转移到水中产生钠离子，钠离子之间相互排斥导致的库伦爆炸[6]。
《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》关于化学学科核心素养的水平划分中，要求学生“能从物质及其变化的事实中提取证据，对有关化学问题提出假设，能依据证据证实或证伪该假设”，并“能从宏观和微观结合上收集证据，能依据证据从不同视角分析问题，推出合理的结论”。钠在水中反应后期偶有爆炸是实验事实，对该爆炸的原因存在诸多解释，通过提出假设、设计实验收集宏观和微观的证据进行证实或证伪，得出合理的结论，有利于发展学生的“证据推理与模型认知”素养。
2 钠与水反应爆炸的实验设计
教材中钠与水演示实验的爆炸是后期偶发的，为了探究爆炸的原因，需要再现类似环境下发生爆炸的过程，再通过摄像回放等方法进行研究。如何引发绿豆大小的钠球与烧杯中的水反应产生爆炸呢？钟祥日老师观察的结果是爆炸往往发生在钠球变小至即将消失时，小钠球游动速度加快并往往游靠在烧杯壁上产生轻微的爆炸，有时轻微的爆炸还伴随着小火星，然后钠球全部消失[7]。钠球靠在烧杯壁上更容易引发爆炸，是因为反应产生的热量无法及时释放，温度瞬间升高引发小火星导致爆炸。因此，设计的方向在于如何使钠球靠在烧杯壁上反应而不四处游动。
2.1 利用三角漏斗控制钠的游动方向再现爆炸过程
设计该实验的难点有两个：
一是如何控制钠球的游动方向，让其往烧杯壁方向游动;二是接触到烧杯壁后如何不让其离开。为了解决以上问题，必须先判断与水反应过程中钠是否真的处于熔融状态。为了判断状态，将钠投入烧杯水中后，从烧杯底部和水面上两个方向分别摄像。回放画面显示，钠在水面以下是银白色的，而露出水面的部分表面是白色的，说明金属钠接触水后生成的氢氧化钠并没有覆盖在其水面以下部分，水可以不断与钠反应生成氢气，不同方向产生的氢气推动钠球四处游动。使用镊子无法夹起游动中的钠球，钠球遇镊子立即分成多个小球，说明钠球确实处于熔融状态。
为了让钠球往器壁游动，可以使用三角漏斗代替烧杯，利用钠球在三角漏斗水面上游动产生的漩涡不断将钠球推向漩涡外围，最终靠在漏斗壁上。漏斗壁与垂直的烧杯壁不同，存在斜面可以让熔融的钠球紧贴在其上面。而且钠球与漏斗壁紧贴的一侧无法接触水，另一侧接触水产生氢气的推力可以使其不再四处游动。经过试探，使用玻璃三角漏斗因受热不均易导致破裂，因此改用塑料三角漏斗进行实验。实验时用橡皮塞堵住塑料三角漏斗下管口，漏斗口正面朝上平放在桌面上，加入蒸馏水至液面离漏斗上口边沿2厘米处，再投入绿豆大小的钠球（见图1）。
钠球与水接触后游动到三角漏斗斜壁上，紧贴在斜壁上与水继续反应。一段时间后，钠球燃烧起来且持续较长时间但并未爆炸，燃烧到后期钠球变成表面为银白色的小球，燃烧产生的高温将塑料漏斗烧出一个小洞。钠球从洞口掉出熔成小火球，接触空气后出现火星四射的爆炸现象。以上现象与上述钟祥日老师的观察结果基本一致，即钠与水反应后期出现的爆炸往往还伴有小火星出现[8]。
2.2 利用502胶水控制钠的表面积再现爆炸过程
以上实验利用三角漏斗形成的漩涡成功控制了钠球的游动方向，使其紧靠在漏斗壁上反应，再现了钠球先燃烧后爆炸的反应过程。但钠球的爆炸是在空气中进行而非在水面上进行的，如果熔成小火球的钠球仍在水面上，是否同样会发生爆炸呢？在钟祥日老师的实验中，还使用沾有煤油的钠球与水反应进行对照实验，发现其更容易爆炸。爆炸的原因在于煤油会包裹钠球使反应放出的热量不易扩散，最终燃烧并发生爆炸。根据该原理，借鉴502速胶包裹钠球控制其表面积的做法，设计了熔成小火球的钠球与水反应的实验。具体方法如下：
先将钠切成边长为5mm的小立方体，浸没在502胶水中，一段时间后取出在空气中风干。检查钠表面是否全部被502胶水覆盖的方法是：
将处理后的钠球再投入水中，如果不反应说明表面已覆盖完整。再用医用注射器的针头在钠表面扎出直径约为2mm的小孔。2578C410-6FB7-4684-BC2F-344162CFBBE4
将扎孔后的钠球投入烧杯的水中，钠球表面小孔不断冒出气泡，气泡推着钠球四处游动，直观展示了氢气的推动是钠球四处游动的原因。一小段时间后，一个小钠球从孔中游出，表面为白色，与教材演示实验的现象相同。再过一段时间，由于502胶皮的包裹使其内部钠球温度迅速升高，另一个钠球熔成一个小火球从孔中游出进入水面，形成火星四射的剧烈爆炸现象。反应后期，烧杯液面上一个白色钠球、一个小火球對比明显。
通过以上两个实验，发现钠球爆炸的前提是温度升高至熔成小火球，小火球在空气中及水面上都可以爆炸。这个结论与王伟列老师的观点既有相似之处，也有不同之处。相似之处在于都认为钠球爆炸必须先熔成小火球;不同之处在于王伟列老师认为爆炸与水蒸气的体积急剧膨胀有关[9]。而本实验研究的结果是钠熔成小火球后在空气中也能爆炸，与是否有水蒸气无关。
3 钠与水反应氢氧混合气体爆炸实验的设计
上述实验表明钠球爆炸与水蒸气无关，但是否与生成的氢气有关呢？孙成斌老师、刘怀乐老师等均认为爆炸与氢气有关，前者认为是空气的存在导致不纯氢气的爆炸[10];后者认为是过氧化钠与水接触生成的氧气与氢气混合燃烧导致的爆炸[11]。为了进一步厘清教材演示实验后期的爆炸与氢气是否有关，必须设计类似环境下氢氧混合气体爆炸的实验进行对比。
3.1 利用锥形瓶留住部分氢气再现混合气体爆炸过程
与前述原因相同，由于钠与水反应后期的爆炸是偶发的，要研究爆炸是否与氢气有关，必须再现有氢气参与的爆炸过程进行研究。教材中钠与水的实验在烧杯中进行，由于烧杯敞口有利于氢气的扩散，无法设计氢气参与的爆炸实验。为了将部分氢气留在体系中参与爆炸过程，可以缩小敞口程度，将烧杯改为锥形瓶。将绿豆大小的钠球投入装在锥形瓶的水中，钠球先游动后紧靠在瓶壁与水反应，一段时间后开始燃烧，燃烧后瞬间引起爆炸并形成巨大的气体冲击力，爆炸过后锥形瓶液面上笼罩一层水雾。这种混合气体的爆炸与钠的小火球火星四射的爆炸不同，后者并没有产生明显的气体冲击力。这个实验具有安全警示意义，即钠与水反应容器必须是敞口程度大的仪器（如烧杯或培养皿等），且仪器上方不宜再盖上玻璃片或塑料片等，否则可能因氢气无法及时逸出导致混合气体爆炸的发生。
3.2 利用双口烧瓶留住少量空气再现混合气体爆炸过程
上述锥形瓶中的气体爆炸非常明显，但氧气是来自空气还是来自过氧化钠与水反应，还不能有效判断。由于纯氢气环境下钠球无法燃烧[12]，要研究过氧化钠与水反应生成的氧气是否参与爆炸，必须先让钠在少量空气中燃烧起来生成过氧化钠。因此，需要创设一个氢气多空气少的封闭环境研究。使用铝箔包裹钠球投入密闭装置的氢氧化钠溶液中可以解决该问题。一是铝箔可以与氢氧化钠溶液反应生成大量的氢气;二是铝箔反应一段时间后形成缺口，有利于钠球游出与水反应。具体的做法是：
将长颈三角漏斗通过单孔橡皮塞塞紧双口筒形平底烧瓶（简称双口烧瓶，下同）的中管口，往侧管口加入氢氧化钠溶液至液面离侧管口2厘米处，再投入铝箔包裹的绿豆大小的钠球，用橡皮塞轻轻塞住侧管口（见图2）。此时双口烧瓶内有部分空气留住，创设出空气少的环境。使用双口烧瓶而不用单口烧瓶，还在于可以将侧管口作为爆炸的缓冲口，一旦爆炸，侧管口橡皮塞可以弹出，防止玻璃仪器的破裂。因此，侧管口橡皮塞不宜塞得太紧。
反应开始后，铝箔与氢氧化钠溶液反应产生的氢气将反应液压入长颈三角漏斗，一段时间后，钠球从铝箔缺口中漏出并在水面上四处游动。随后燃烧起来（装置中少量空气可助燃），燃烧着的钠球继续游动三四圈后才发生爆炸，侧口橡皮塞被弹出，但爆炸不如锥形瓶中的爆炸剧烈，也无火星四射的现象。燃烧着的钠球游动一段时间后才发生爆炸，说明过氧化钠与水接触生成的氧气是有参与氢气爆炸的可能性的。
4 实验结果与讨论
通过以上实验对比，可以明显区分出两种不同的爆炸：
一种是熔融状态的钠的小火球遇水或空气的爆炸，其特点是伴有燃烧且火星四射;另一种是氢氧混合气体的爆炸，其特点是瞬间产生大量气体，具有明显的气体冲击力。教材中演示实验后期偶发的爆炸应属于前一种，即熔融状态的钠的小火球遇水发生的爆炸。
教材演示实验中使用烧杯装水可以让钠球四处游动，有利于将反应产生的热量不断分散，不至于形成熔融的小火球。一旦钠球出现紧靠在烧杯壁上某个位置不游动的情况，反应放出的热量不断聚集导致钠球温度升高，最后就有可能变成熔融小火球爆炸。由于后者出现的几率不高，因此属于实验中的偶发现象。如果选用敞口塑料制品代替烧杯做该实验，必须通过摇动容器以防止钠球附着在塑料瓶壁上燃烧形成小孔，最后导致熔融的钠的小火球爆炸[13]。
以上研究针对教材中钠与水演示实验后期偶发爆炸的实验事实，对氢氧混合气体爆炸、水蒸气爆炸、熔融的钠的小火球爆炸等不同解释设计实验方案进行验证，得出教材演示实验爆炸与熔融的钠的小火球有关
的结论。因而建议选择敞口容器、防止钠球紧贴器壁不游动等措施提高该演示实验的安全性。通过问题的提出、实验方案的设计以及证据的收集和科学的推理，得出合理的结论及实验注意事项。特别是通过从液面下方拍摄、观察到钠球处于熔融状态的设计、钠球紧靠塑料三角漏斗壁与水反应的实验操作与控制，有利于激发学生的探究兴趣和安全意识，培养学生的证据推理和创新能力，从而促进学生核心素养的不断发展。
参考文献：
[1][7][8]钟祥日. 钠与水反应实验发生爆炸的原因[J]. 广东教育（教研版）， 2009， （5）：
53.
[2][10]孙成斌. 钠与水反应实验现象的解释[J]. 黔南民族师专学报， 1999， （6）：
45～46， 51.
[3][11]刘怀乐. 钠与水反应实验现象剖析[J]. 化学教育， 1990， （2）：
39～41.
[4][9]王伟列. 对金属钠遇水发生爆炸的探讨[J]. 化学教学， 2004， （4）：
13～14.
[5]曾显林. 基于数字影像技术的高中化学实验观察与辨识——以钠与水反应为例[J]. 中国现代教育装备， 2019， （22）：
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[6]佚名. 钠和钾遇水爆炸的真相[J]. 上海化工， 2015， 40（4）：
40.
[12]佚名. 也谈钠与水反应中的三种现象[J]. 化学教学， 1990， （6）：
41～43.
[13]于淑儿， 范彬彬， 单来君， 周千红. 对高中化学新教材中钠与水反应实验安全问题的再思考[J]. 化学教学， 2003， （6）：
47.2578C410-6FB7-4684-BC2F-344162CFBBE4
