改進(jìn)鈉燃燒實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐與思考

改進(jìn)鈉燃燒實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐與思考李尚榜浙江省寧波中學(xué)（315100）摘要本文通過對有關(guān)“鈉燃燒改進(jìn)實(shí)驗(yàn)”的研究論文的學(xué)習(xí)，并開展實(shí)踐操作研究，結(jié)合理論分析，找出改進(jìn)鈉燃燒實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵因素，形成實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思路，尋找新的改進(jìn)突破。關(guān)鍵詞改進(jìn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐思考1、教材實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)20年來浙江省高中化學(xué)教材從人教版到蘇教版，變化了三次，但鈉燃燒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)幾乎一成不變，都是在石棉網(wǎng)上用酒精燈加熱觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如右圖所示），雖然該實(shí)驗(yàn)的操作很簡單，但實(shí)驗(yàn)效果并不理想，主要存在兩個(gè)問題：1.1過程快金屬鈉開始燃燒后，一道白煙沖天而起，反應(yīng)很快結(jié)束，黃色火焰稍縱即逝，學(xué)生很難觀察到黃色火焰；1.2現(xiàn)象雜反應(yīng)后留下的產(chǎn)物不多，且易在石棉網(wǎng)上形成黑色的斑點(diǎn)，掩蓋淡黃色固體。2、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的問題因此，筆者查閱了關(guān)于鈉燃燒實(shí)驗(yàn)的研究論文十余篇，文中提出了不少改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，筆者認(rèn)真學(xué)習(xí)了這些改進(jìn)設(shè)計(jì)，也根據(jù)設(shè)計(jì)做了大量的比較實(shí)驗(yàn)，有兩點(diǎn)體會(huì)：2.1偏重理論指導(dǎo)設(shè)計(jì)缺乏改進(jìn)思路分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)操作的依據(jù)，是實(shí)施實(shí)驗(yàn)的第一步，大部分改進(jìn)設(shè)計(jì)非常注重實(shí)驗(yàn)的原理分析，強(qiáng)調(diào)理論對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，從而找出原實(shí)驗(yàn)存在的問題，開展實(shí)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)改進(jìn)效果。對于鈉燃燒實(shí)驗(yàn)，雖然很多的改進(jìn)都能使實(shí)驗(yàn)效果明顯，但都缺乏對關(guān)鍵設(shè)計(jì)的分析，至于為什么這樣改？還能怎么改？未能形成實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思路。2.2裝置復(fù)雜操作苛刻忽視課堂演示功能對于課堂演示實(shí)驗(yàn)而言，要求裝置簡單，操作簡便，相比教材實(shí)驗(yàn)，有部分改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過分追求實(shí)驗(yàn)達(dá)成的效果，裝置多且設(shè)計(jì)復(fù)雜，操作要求又比較高，甚至苛刻，脫離課堂演示實(shí)際。筆者曾嘗試著去裝配其中一套改進(jìn)裝置，費(fèi)時(shí)不少，且操作多次才能完成，基本不具備課堂演示的功能。3、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思路筆者學(xué)習(xí)了十余篇研究論文后，認(rèn)真地做了這些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，不禁思考，我該從哪些方面尋求改進(jìn)呢？總結(jié)這些實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)特征，比較教材實(shí)驗(yàn)的藥品與操作，造成實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯的原因主要有三方面：3.1反應(yīng)原料的問題實(shí)驗(yàn)要求用鈉與氧氣反應(yīng)點(diǎn)燃制備過氧化鈉，而金屬鈉在空氣中極易被氧化，表面生成氧化鈉，實(shí)驗(yàn)室的鈉保存在煤油中，雖然用濾紙吸附煤油，但并不能保證燃燒的鈉是純鈉，另一方面，氧氣來源于空氣，并非純氧，另外，選取鈉的用量多少以及與氧氣接觸的表面積大小也可能有關(guān)系，所以，反應(yīng)物不純可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。3.2反應(yīng)載體的問題不少研究論文指出，載體對于本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)至關(guān)重要，2004年人教版新課標(biāo)教材《化學(xué)1(必修)》就曾經(jīng)將石棉網(wǎng)改為坩堝，淡黃色現(xiàn)象就比較明顯。幾乎所有的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)都更換反應(yīng)的載體，筆者總結(jié)有如下四種載體類型：載體類型實(shí)驗(yàn)器材石棉材質(zhì)石棉網(wǎng)陶瓷材質(zhì)坩堝或蒸發(fā)皿玻璃材質(zhì)破試管或硬質(zhì)管金屬材質(zhì)燃燒匙或鋁質(zhì)易拉罐底與石棉材質(zhì)比較，另外三種材質(zhì)作載體最大的優(yōu)點(diǎn)是避免了反應(yīng)物與火焰的直接接觸，避免燃燒生成的二氧化碳與金屬鈉直接反應(yīng)：4Na+CO2=2Na2O+C，從而解決了生成的單質(zhì)碳而出現(xiàn)黑色斑點(diǎn)的問題。因此，石棉網(wǎng)做載體是影響教材實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象雜亂的重要因素之一。3.3反應(yīng)體系的問題有幾個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的裝置很復(fù)雜，操作也繁瑣，但與教材實(shí)驗(yàn)完全敞開式的體系相比，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)體系卻發(fā)生在一個(gè)半封閉的體系中，反應(yīng)所需氧氣由外界不斷地補(bǔ)給，使反應(yīng)處于控制的條件下，實(shí)踐證明，現(xiàn)象確實(shí)比較明顯，尤其值得注意的是，在間歇性鼓入空氣時(shí)，金屬鈉燃燒時(shí)有時(shí)無，淡黃色現(xiàn)象特別明顯。因此，鈉燃燒實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)體系會(huì)對反應(yīng)過程的現(xiàn)象觀察產(chǎn)生影響。4實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的設(shè)計(jì)綜上所述，原料、載體、體系三個(gè)因素成為改進(jìn)實(shí)驗(yàn)可以尋求的方向，因此，筆者開始從這幾方面著手改進(jìn)鈉燃燒實(shí)驗(yàn)，作了如下改進(jìn)：4.1原料處理的改進(jìn)經(jīng)過大量的比較實(shí)驗(yàn)，原料的處理情況不會(huì)對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生決定性作用，少量的氧化鈉和煤油，以及空氣中氧氣的濃度對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察沒有多少影響，鈉用量大小僅僅也是產(chǎn)物量多少的一種表現(xiàn)。因此，對于取用的金屬鈉，用小刀去除大部分氧化膜，用濾紙吸收大部分煤油，并選擇黃豆大小的鈉，在空氣中點(diǎn)燃即可。4.2載體選擇的改進(jìn)根據(jù)多篇論文提出的建議，筆者做了大量各種材質(zhì)載體的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，最好的載體是陶瓷類的蒸發(fā)皿，口大，便于觀察，淡黃色固體量大明顯，保存時(shí)間較其他材質(zhì)要長，金屬材質(zhì)制備得到的白色固體較多，淡黃色較少，而玻璃材質(zhì)最大的問題是容易破裂，生成的淡黃色固體沒有上面兩種材質(zhì)明顯。因此，反應(yīng)的載體應(yīng)選擇蒸發(fā)皿等陶瓷材質(zhì)，將處理好的鈉放入蒸發(fā)皿中，用酒精燈加熱熔化點(diǎn)燃即可。4.3體系形成的改進(jìn)鑒于相關(guān)論文中反應(yīng)體系復(fù)雜繁瑣，且操作要求比較高，顯然這樣的改進(jìn)方案不夠合理，那么如何設(shè)計(jì)一個(gè)裝置簡單，操作方便，關(guān)鍵是能夠形成半封閉的體系呢？筆者注意到改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的半封閉體系主要是通過控制空氣的量達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果的，因此，筆者就在蒸發(fā)皿這個(gè)敞開的體系上方遮蓋一個(gè)倒扣的漏斗，漏斗下端管口用乳膠頭封閉（如上圖所示），構(gòu)成一個(gè)封閉的體系，待燃燒開始后，不時(shí)將漏斗提上、放下，限制空氣進(jìn)入蒸發(fā)皿內(nèi)，從而達(dá)到半封閉的體系。實(shí)踐證明，這樣改進(jìn)后，實(shí)驗(yàn)的演示效果非常好。5實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的理論分析為什么筆者的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)會(huì)獲得很好的實(shí)驗(yàn)效果呢？其理論依據(jù)是什么？筆者查閱了北師大版的無機(jī)化學(xué)，也參考了相關(guān)論文中引用的理論知識，分析如下：鈉的燃燒產(chǎn)物與氧氣濃度和反應(yīng)溫度有關(guān)，在低溫和氧氣不足的情況下生成氧化鈉。400℃氧化鈉在4004002Na2ONa2O2+2Na460℃另外，查資料可知Na2O2在42Na2O22Na2O+O2綜上分析，要保證鈉燃燒的產(chǎn)物是過氧化鈉就必須要控制溫度在400℃～460℃之間，這是該6實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思考和結(jié)論6.1筆者對該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)總結(jié)如下：如上圖所示裝置，蒸發(fā)皿里擱放黃豆粒大小的、用濾紙吸干表面煤油的、切去表面氧化層的一塊金屬鈉，加熱至熔化，待剛剛?cè)紵龝r(shí)，在蒸發(fā)皿上扣一個(gè)比蒸發(fā)皿口徑稍小的漏斗，并移開酒精燈，適時(shí)把漏斗提上、放下以調(diào)節(jié)進(jìn)入空氣的量，控制鈉燃燒的火焰若明若暗，似燃非燃，似熄非熄，待移開漏斗觀察不再有火光時(shí)，即發(fā)現(xiàn)有黑色固體產(chǎn)物，其顏色隨著蒸發(fā)皿溫度的降低，逐漸變成棕色—橙黃色—淡黃色(Na2O2)，看上去就珊瑚形狀。6.2控制溫度是這個(gè)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)成敗的關(guān)鍵教材實(shí)驗(yàn)之所以會(huì)失敗，溫度過高是主要原因：①石棉網(wǎng)有空隙，鈉的燃燒直接接觸酒精燈火焰（火焰溫度在500以上）。②由于鈉的燃燒是一個(gè)放熱反應(yīng)，同時(shí)在敞開體系中，氧氣充足，燃燒充分，反應(yīng)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過需要控制的溫度。同理，由于金屬材質(zhì)的導(dǎo)熱性非常好，加熱后，溫度也容易迅速升高，不易控制在限定溫度內(nèi)，所以，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也不夠明顯。而筆者的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，采用簡單裝置和簡便操作，通過雙限的方式，即限制空氣的進(jìn)入量和限制反應(yīng)溫度，很好地控制燃燒的溫度，使鈉燃燒生成過氧化鈉。鑒于此，筆者做了進(jìn)一步的嘗試，直接在教材實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增加倒扣漏斗，以相同方式控制鈉的燃燒，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)能夠產(chǎn)生較多的淡黃色固體，比教材實(shí)驗(yàn)有很大的優(yōu)化，更能說明溫度是該實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素。6.3實(shí)驗(yàn)改進(jìn)實(shí)踐的收獲通過以上對鈉燃燒改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，這些改進(jìn)均是在裝置、藥品、方法、操作等實(shí)驗(yàn)的某一方面，其目的都是為了改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)存在的不足，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的演示效果。但是，如何形成對某一實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思路？筆者在對這一實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的研究中收獲頗多，首先，在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，要明確改進(jìn)目的。其次，要用理論分析指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，尋找關(guān)鍵因素，確定改進(jìn)方向。最后，要形成實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路，不宜脫離實(shí)際，變簡為繁，改進(jìn)后應(yīng)力求裝置簡單，操作簡便，現(xiàn)象明顯，效果顯著。參考文獻(xiàn)：[1]王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1(必修)[M].南京:江蘇教育出版社,2006:48.[2]北京師范大學(xué),華中師范大學(xué),南京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室編.無機(jī)化學(xué)(第3版)[M].北京:高等教育出版社,1990:620-652.[3]吳先強(qiáng).鈉燃燒生成過氧化鈉的最佳實(shí)驗(yàn)條件探究[J].化學(xué)教學(xué),2009,30(4):11-12[4]李明艷,梁紅梅,王錦化.新課標(biāo)中鈉在空氣中燃燒實(shí)驗(yàn)的