钠与水反应实验现象剖析

钠与水反应实验现象剖析 众所周知，金属钠(钾)与水剧烈反应释放出氢气。反应产生的热，既可以使金属钠熔化(钠的熔点97(81?)，还可能使它在水面上着火燃烧。如果在教学演示中引导学生仔细观察，还可以发现一些现象细节，提出一些问题，启发学生自己加以分析和解释。例如，是什么原因使钠熔化成小球,是什么力量驱使钠球在水面上游动,在考查燃烧现象时还可以提出:是钠在着火燃烧，还是氢气在燃烧，抑或是两者同时在燃烧,是钠先燃烧，还是氢先燃烧，抑或有其他什么可能性,为什么在燃烧的同时常有叭叭作响的断续爆炸声,钠与水反应的过程中总有些烟雾状的白色物。有人问这白色物究竟是烟，还是雾，或是既有烟，又有雾等等。 钠与水反应的这些现象应当说是非常明显的，但要满意回答这些基础化学中的重要问题，至少在目前还没有完全一致的，甚至有较多的分歧。本文对上述问题试图作些分析和论证，探究其基本答案。 1(钠球是怎么形成的 钠的密度比水小，熔点也仅为97(81?。钠在水溶液中表现出极高的化学活性，与水反应时放出的热足以使它熔化。熔化的金属钠具有很大的表面张力(其他金属亦是如此)。这就是钠球形成的原因。 2(是什么力量驱使钠球在水面上游动 是什么力量驱使钠球在水面上游动,一种意见认为，钠与水接触产生的氢气泡外逸时驱动着钠球游动。新近有人认为，是因为Na与水反应生成的NaOH溶液有较大的表面张力，驱使钠球朝表面张力较小的水(或更稀的NaOH溶液)方向移动所致[注]。笔者不赞成这后一种见解的原因有两点。第一，浓度大的NaOH溶液的表面张力是要比水(或更稀的NaOH溶液)的表面张力要大，但不是很大。当我们投入一粒绿豆大小的金属钠于盛水的烧杯中，那种因为浓度差引起的表面张力差驱使钠球运动的解释，未免太牵强了。第二，表面张力的大小，不仅与溶液的浓度有关，也跟温度有关。从化学手册上查得水的表面张力与温度的数据于下: 可见，温度对于液体(这里是水)表面张力的影响是不可低估的，更何况反应是在足以使金属钠熔化的温度下进行的，水表面张力当然是明显减小。不过一、二两种表面张力恰好相反，设想当两种力达到平衡时还有多大的“余力”来驱使球在液面游动呢, 我很赞成前一种见解，教学中可以以下两个实验来作证: 实验一 将饱和食盐水(增大密度)与1?1的盐酸等体积相混和后注入500mL烧杯中(2/3体积)，然后放进一个鸡蛋。鸡蛋在这样的液体中是浮面的，反应生成的CO驱动着鸡蛋缓缓游动。 2 实验二 用纱布把5,10颗锌粒固定在一只乒乓球表面，投入稀盐酸中，乒乓球在液面上漂游情况与钠在水面上游动情况，似乎一模一样。 3(燃烧现象与爆炸过程分析 如前所述，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，那裸露在空气中的那部分钠，无疑会有较多的NaO和少量NaO生成，并立即跟水反应生成NaOH。 222 最初 2Na+2HO===2NaOH+H? +Q 221 Na溶化后 4Na+O===2NaO +Q 222 (燃烧前) 2NaO+O===2NaO(少量) +Q 22223 NaO+HO===2NaOH +Q 224 2NaO+2HO=4NaOH+O? +Q 22225 以上均系放热反应。鉴于H的自燃点高达585?，因此首先着火的不是H，而是Na: 22 在继Na着火之后，立刻就是H被钠焰点着，呈现Na，H同时在空气中燃烧的情况。 22 与此同时，Na燃烧生成较多的NaO与水反应生成O 222 2NaO+2HO=4NaOH+O? 2222 当反应生成的O与H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叭叭爆炸声。 22 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NaO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。 22 读者应当充分注意到，这种燃烧和爆炸，总是受钠球上方空气中O的量所制约的。当钢球上方的空气被氢气赶走到极2 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，让钠在惰性气氛或其他还原性气氛中只与水反应，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。 实验一 取一只集气瓶，用排水法收集约三分之二体积的N(用饱和NHCl与NaNO混和液加热制备)。余下的水留242 作跟钠反应。在这种惰性气氛中，钠只跟水反应。投入水中的金属钠哪怕大如蚕豆，也只见钠跟水激烈反应被熔化成钠球，在水面游动，从未发现有燃烧和爆炸的现象发生。 实验二 如图所示，在盛满水的U形管的左边管口投入一颗黄豆大小的金属钠，并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烧林内。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，仅仅靠Na跟水反应产生的热就足以使金属钠熔化。 实际上在课堂演示中，要给钠与水反应创造一个无氧(或缺氧)的环境的实验极为简单:取一只小试管，先注入1,2mL水，再放入一小块金属钠。钠与水反应产生的H将迅速赶走管内的空气。这时既无空气中的O，更没有NaO2222跟水反应产生的O，燃烧和爆炸将很好地被消除。我们经多次重复实验，均无一例有燃烧和爆炸现象。因此，从实验安全2 的角度上讲，钠跟水反应的实验在试管(特别是较小的试管)中进行，比在烧杯中做要安全得多，而且便于观察。 4(是白烟，还是白雾 钠与水反应时水面上方弥漫的“白色物”，是烟，还是雾，抑或是既有烟又有雾的白色烟雾,究其化学成份，是Na、NaO，NaOH，或者是其他什么的。这些都是尚有争议的问题。为了证实这白色物的大体成分，以下几个简单实验应当说22 是很有说服力的。 实验一 在盛有水的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 在课堂演示中，我是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，均未发现指示剂显色。 实验三 我们选铁丝、玻棒，瓷片，木炭中的任何一种，在酒精灯焰上先烧成红热状态，再迅速跟冷水接触，立即产生相似的白色物样。 因此，我们完全有理由断定这些白色物主要不是烟(钠和钠的化合物)，而是由水蒸气凝聚而成的白雾。 钾跟水反应的情况与钠跟水反应的情况十分相似。 刘怀乐(四川重庆41中)