鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象剖析

1、鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象剖析眾所周知，金屬鈉（鉀）與水劇烈反應(yīng)釋放出氫氣。反應(yīng)產(chǎn)生的熱，既可以使金 屬鈉熔化（鈉的熔點(diǎn)97.81C）,還可能使它在水面上著火燃燒。如果在教學(xué)演示中 引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察，還可以發(fā)現(xiàn)一些現(xiàn)象細(xì)節(jié)，提出一些問題，啟發(fā)學(xué)生自己加以分 析和解釋。例如，是什么原因使鈉熔化成小球？是什么力量驅(qū)使鈉球在水面上游動(dòng)？ 在考查燃燒現(xiàn)象時(shí)還可以提出：是鈉在著火燃燒，還是氫氣在燃燒，抑或是兩者同時(shí) 在燃燒？是鈉先燃燒，還是氫先燃燒，抑或有其他什么可能性？為什么在燃燒的同時(shí) 常有叭叭作響的斷續(xù)爆炸聲？鈉與水反應(yīng)的過程中總有些煙霧狀的白色物。有人問這白色物究竟是煙，還是霧，或是既有煙，又有霧等等。

2、鈉與水反應(yīng)的這些現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)說是非常明顯的， 但要滿意回答這些基礎(chǔ)化學(xué)中的重 要問題，至少在目前還沒有完全一致的答案，甚至有較多的分歧。本文對(duì)上述問題試 圖作些分析和論證，探究其基本答案。1.鈉球是怎么形成的鈉的密度比水小，熔點(diǎn)也僅為97.81 To鈉在水溶液中表現(xiàn)出極高的化學(xué)活性， 與水反應(yīng)時(shí)放出的熱足以使它熔化。熔化的金屬鈉具有很大的表面張力（其他金屬亦 是如此）。這就是鈉球形成的原因。2.是什么力量驅(qū)使鈉球在水面上游動(dòng)是什么力量驅(qū)使鈉球在水面上游動(dòng)？ 一種意見認(rèn)為，鈉與水接觸產(chǎn)生的氫氣泡外逸時(shí)驅(qū)動(dòng)著鈉球游動(dòng)。新近有人認(rèn)為，是因?yàn)镹a與水反應(yīng)生成的NaOH溶液有較大的 表面張力，驅(qū)使鈉球朝表面

3、張力較小的水（或更稀的 NaOH溶液）方向移動(dòng)所致注o 筆者不贊成這后一種見解的原因有兩點(diǎn)。第一，濃度大的NaOH溶液的表面張力是要比水（或更稀的NaOH溶液）的表面張力要大，但不是很大。當(dāng)我們投入一粒綠豆大 小的金屬鈉于盛水的燒杯中，那種因?yàn)闈舛炔钜鸬谋砻鎻埩Σ铗?qū)使鈉球運(yùn)動(dòng)的解 釋，未免太牽強(qiáng)了。第二，表面張力的大小，不僅與溶液的濃度有關(guān)，也跟溫度有關(guān)。 從化學(xué)手冊(cè)上查得水的表面張力與溫度的數(shù)據(jù)于下：溫度©G-5015IE2550603010Q表面張力系數(shù)陽散x i（r3B77 JO76 475.673.4373.0571.9?67.9166.1862.6058.9可見，溫度對(duì)于

4、液體（這里是水）表面張力的影響是不可低估的，更何況反應(yīng)是 在足以使金屬鈉熔化的溫度下進(jìn)行的，水表面張力當(dāng)然是明顯減小。不過一、二兩種 表面張力恰好相反，設(shè)想當(dāng)兩種力達(dá)到平衡時(shí)還有多大的“余力”來驅(qū)使球在液面游 動(dòng)呢？我很贊成前一種見解，教學(xué)中可以設(shè)計(jì)以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來作證:實(shí)驗(yàn)一將飽和食鹽水（增大密度）與1 ：1的鹽酸等體積相混和后注入 500mL燒 杯中（2/3體積），然后放進(jìn)一個(gè)雞蛋。雞蛋在這樣的液體中是浮面的，反應(yīng)生成的 CQ驅(qū)動(dòng)著雞蛋緩緩游動(dòng)。實(shí)驗(yàn)二 用紗布把5- 10顆鋅粒固定在一只乒乓球表面，投入稀鹽酸中，乒乓球 在液面上漂游情況與鈉在水面上游動(dòng)情況，似乎一模一樣。3 燃燒現(xiàn)象與爆炸過

5、程分析如前所述，漂浮在水面上的鈉，在與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的同時(shí)，盡管沒有燃燒，那 裸露在空氣中的那部分鈉，無疑會(huì)有較多的 NaO和少量NaO生成，并立即跟水反應(yīng) 生成NaOH最初 2Na+2HO=2NaOH+H+QNa 溶化后 4Na+O=2NaO+Q（燃燒前）2Na2O+（2=2NaO （少量）+ QNaO+bO=2NaOHQ2NaO+2HO=4NaOH+O+Q以上均系放熱反應(yīng)。鑒于 H的自燃點(diǎn)高達(dá)585C，因此首先著火的不是 H,而是 Na2Na + C2=Na2O2在繼Na著火之后，立刻就是H被鈉焰點(diǎn)著，呈現(xiàn)Na, H同時(shí)在空氣中燃燒的情 況。2H3 + O2< 空）-22比0與此同時(shí)

6、，Na燃燒生成較多的NaO與水反應(yīng)生成Q2NaO + 2HO=4NaO+OT當(dāng)反應(yīng)生成的O與H在它的爆炸極限以內(nèi)就形成爆炸性混合氣體， 在鈉球附近產(chǎn) 生斷續(xù)的叭叭爆炸聲?？梢?，鈉與水反應(yīng)的燃燒現(xiàn)象，不僅有鈉在燃燒，也有氫氣在燃燒，而且是鈉球 先著火再引燃?xì)錃?；鈉與水反應(yīng)的斷續(xù)爆炸現(xiàn)象，則主要是NaO與水反應(yīng)生成的氧氣與鈉跟水反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣混合后被點(diǎn)火引起的。讀者應(yīng)當(dāng)充分注意到，這種燃燒和爆炸，總是受鈉球上方空氣中O的量所制約的。 當(dāng)鋼球上方的空氣被氫氣趕走到極稀少時(shí)，這種燃燒將難于進(jìn)行，爆炸更是無從發(fā)生。由于許多實(shí)驗(yàn)者總是習(xí)慣在燒杯內(nèi)做鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，因此，水面上方的空氣被反應(yīng)生成的氫氣（或

7、水蒸氣）趕走的量總是很有限的，所以鈉與水反應(yīng)的燃燒和爆炸現(xiàn) 象是必然的。如果創(chuàng)造一個(gè)無氧環(huán)境，讓鈉在惰性氣氛或其他還原性氣氛中只與水反應(yīng)， 這種 燃燒與爆炸就無從發(fā)生了。下面兩個(gè)鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，就是為達(dá)到這一目的而設(shè)計(jì) 的。實(shí)驗(yàn)一取一只集氣瓶，用排水法收集約三分之二體積的 N（用飽和NHCI與NaNO 混和液加熱制備）。余下的水留作跟鈉反應(yīng)。在這種惰性氣氛中，鈉只跟水反應(yīng)。投 入水中的金屬鈉哪怕大如蠶豆，也只見鈉跟水激烈反應(yīng)被熔化成鈉球，在水面游動(dòng)， 從未發(fā)現(xiàn)有燃燒和爆炸的現(xiàn)象發(fā)生。實(shí)驗(yàn)二 如圖所示，在盛滿水的U形管的左邊管口投入一顆黃豆大小的金屬鈉， 并迅速用橡皮塞緊塞管口。這時(shí)也只見鈉與

8、水劇烈反應(yīng)被熔化成鈉球，產(chǎn)生的氫氣把管內(nèi)的水排入燒林內(nèi)。實(shí)驗(yàn)非常安全，也從未發(fā)現(xiàn)有燃燒和爆炸的現(xiàn)象發(fā)生。實(shí)驗(yàn)也表明，僅僅靠Na跟水反應(yīng)產(chǎn)生的熱就足以使金屬鈉熔化。實(shí)際上在課堂演示中，要給鈉與水反應(yīng)創(chuàng)造一個(gè)無氧（或缺氧）的環(huán)境的實(shí)驗(yàn)方 法極為簡(jiǎn)單：取一只小試管，先注入 12mL水,再放入一小塊金屬鈉。鈉與水反應(yīng) 產(chǎn)生的H將迅速趕走管內(nèi)的空氣。這時(shí)既無空氣中的 O,更沒有NaO跟水反應(yīng)產(chǎn)生 的0,燃燒和爆炸將很好地被消除。我們經(jīng)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，均無一例有燃燒和爆炸現(xiàn) 象。因此，從實(shí)驗(yàn)安全的角度上講，鈉跟水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)在試管（特別是較小的試管） 中進(jìn)行，比在燒杯中做要安全得多，而且便于觀察。4 .是白煙

9、，還是白霧鈉與水反應(yīng)時(shí)水面上方彌漫的“白色物”，是煙，還是霧，抑或是既有煙又有霧 的白色煙霧？究其化學(xué)成份，是 Na NaO，NaOH或者是其他什么的。這些都是尚有 爭(zhēng)議的問題。為了證實(shí)這白色物的大體成分，以下幾個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)說是很有說服力 的。實(shí)驗(yàn)一 在盛有水的上方罩上一個(gè)較大的漏斗，漏斗內(nèi)壁上貼幾張濕潤的紅色石 蕊試紙或酚酞試紙。當(dāng)把金屬鈉投入燒杯中，鈉與水反應(yīng)生成的白色霧樣一般不致使 這些指示劑顯色。偶見指示劑（試紙）上有少數(shù)顯色斑點(diǎn)，這顯然是鈉與水激烈反應(yīng) -燃燒和爆炸時(shí)飛濺在試紙上的堿液引起的。 特別是反應(yīng)停止后，這些尚未消失的濃 濃白色物，無論對(duì)何種酸堿指示劑均不起作用。實(shí)驗(yàn)二 在課堂演示中，我是讓鈉在集氣瓶中跟水反應(yīng)，生成的白色物濃濃聚集: 用貼有潤濕紅色石蕊試紙的蓋玻片蓋住集氣瓶口， 或用載有酚駄試紙的玻璃棒在白色