书城科普读物动手做实验丛书--金属实验改进设计实践
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第2章 关于碱金属实验的操作和改进(2)

钠在水面上游动众所周知,钠的密度比水小,因而浮在水面上。且钠与水反应是一放热反应,放出的热量足以使钠熔化,在表面张力的作用下,液态的钠收缩成小球。那么这个浮在水面上的液态小球为什么会运动呢?一般参考书上都认为这是因为钠与水反应产生的H2对小球的推动而使之运动。读者只要细心一想,Na与水作用产生的H2的量是极少的,这样少的H2对小球的作用力也是极有限的,怎么会使小球那样剧烈运动呢?湖北省罗田县胜利中学何斌华老师曾做过这样一个实验:把一小木块(与Na球大小相近)放在水面上,再用导管向其下引入少量气体,发现木块根本没有Na球运动剧烈。由此足见,Na球运动的主要原因并非H2的作用。那么究竟是什么原因使小球运动呢?是水表面各处表面张力的不同所致。读者都知道,任何液体表面都有其张力,且张力的大小与其液体的浓度有关。浓度越大,表面张力越大,NaOH溶液正是这种情况。当把Na放在水面上时,生成的NaOH溶液的浓度,在不同的地方也各不相同。浓度大的地方,表面张力大,浓度小的地方,表面张力小。由于表面各处表面张力的不同,小球被迫拉向张力小的地方(即浓度小的地方)而产生运动,这就是小球运动的根本原因。

冒白烟Na与H2O反应时,只要读者细心观察,就会发现有少许白烟冒出。那么这种白烟究竟是什么呢?又是如何产生的呢?可以做过这样一个实验:用玻棒醮取少许酚酞试液,跟踪冒出的白烟,发现酚酞变红。这说明白烟与酚酞试液作用显碱性。据此可以认为白烟的成份有三种可能:一是NaOH微粒,二是Na2O微粒,三是Na微粒。只要我们认真分析一下,就会明白这种白烟只可能是Na挥发到空中立即与空气中O2作用而生成的Na2O微粒,不可能是NaOH和Na。因为只有Na与水接触处才产生NaOH,而NaOH在水中的溶解度很大,不可能挥发出来。并且我们还可以看到Na球是闪亮的银白色,上面没有白色的Na2O,所以这种白烟也不可能是Na球上的Na2O挥发到空中。只可能是液态Na球表面上那些少数能量很高的原子(能量由反应热提供)克服液球表面对它的引力而挥发到空中,进入空中后,立即与空气中的O2作用而生成白色的Na2O微粒即白烟。

发出吱吱的响声Na与水反应时,我们会听到一种吱吱的响声。这是什么原因呢?有的参考书上认为:这是H2自水中逸出时,气泡破裂的声音。气体自液体中逸出破裂时,确实可以产生响声。读者可以做这样一个实验:用导管向水中吹一口气,气体从水中逸出气泡破裂时,我们会听到一种响声。但只要读者细心辩别一下,这种响声与Na和水作用时产生的响声是截然不同的。这说明Na与H2O作用时产生的响声并非是H2自水中逸出时产生的。那么是什么原因造成的呢?

笔者认为是反应产生的H2与空气中的氧气发生化合反应产生爆炸时产生的。H2与O2反应需要一定的温度,这个温度由反应热提供。

钠跟水反应能形成喷泉

陕西省汉中市镇中学唐明山老师认为高中一年级的化学课本中钠跟水起反应的演示实验,需要分两次在大小不同的两个烧杯里进行,实验中没有很好地利用反应过程中生成的氢气。

现改为:(1)用250ml的平底烧瓶,盛水多半瓶,并在水中滴几滴酚酞溶液。(2)然后把约05cm3大的一小粒钠擦干煤油后,用镊子夹住投入烧瓶里。(3)迅速塞上装有约235cm长的尖嘴玻璃管的软胶塞,并塞紧。很快看到烧瓶中浮在水面的钠和水起剧烈反应,溶液由无色变为红色;由于生成的氢气使烧瓶中压力增大,将瓶里红色溶液从尖嘴管口中压出,形成约5~10cm高的美丽喷泉。实验装置如附图。

改进后的实验有如下优点:

(1)实验方法简便易行。

(2)现象明显,效果很好,趣味性强,能激发学生学习兴趣,活跃思维。

钠与水反应微型实验器的制作

《高中化学》第一册(必修)演示实验[4-3],学生实验五中金属钠与水反应。按书中的装置,操作复杂,很难检验钠与水反应后产生的气体--氢气。

浙江省桐庐中学郑炳耀老师将该实验制作成微型装置。实践证明改进后的装置操作简便,现象明显,不管玻璃管内的气体是否集满,均可直接进行检验钠与水反应后产生的气体。这一装置尤其适合学生实验,效果很好。

微型实验器的制作

①用15×150mm的断(破)底试管。或用长100mm,直径15mm的玻璃管。

②取1胶塞,中间钻一孔,切一段长3cm、直径3~4cm的玻璃管插入胶塞的孔中,插入玻管的一端与胶塞小头相平。另一端在玻管外套上乳胶管长3cm,胶管内衔一玻璃珠,在胶管上再接一段长3cm的尖嘴玻管。

③取直径1mm的铁丝一段插入玻管内的胶塞上。

操作方法

①用镊子取出一块金属钠并用滤纸吸干表面煤油,用小刀切一小块钠,把小块钠插到玻管内的铁丝上。

②把带尖嘴管的胶塞塞紧玻管口,手捏胶管中的玻璃珠,把该装置移入盛满水的烧杯里,使玻管内的空气从尖嘴管中排出,立即松开手,可见金属钠与水迅速反应,钠脱离铁丝浮于水面,玻管内液面逐渐下降,反应完毕,玻管内气体集满。

③用左手挤捏胶管中的玻璃珠,右手将燃着的木条在尖嘴玻管口点燃,立即发出轻微的爆鸣声和淡蓝色火焰,证明是氢气。

④取出装置,向烧杯里滴入几滴酚酞试液,使烧杯里的无色溶液变成红色。

2Na+2H2O=2NaOH+H2↑用平底烧瓶做碱金属和水的反应

同学们做碱金属与水起反应的实验时,往往发生意外,造成意外的原因有二:第一:切取的K、Na太大;第二:用烧杯做该实验有点不佳,表现在:①烧杯口径太大,不便于迅速盖住玻璃片,而K、Na溶水一瞬间与水大面积接触、剧烈反应而冲起;②烧杯有点矮,在观察实验时,头部都几乎高于烧杯口,K、Na一旦冲出,便击中实验者,造成不幸。

倘若用平底烧瓶做该实验,一般用不着忙手忙脚地盖玻璃片,为高度集中精力观察实验现象提供了条件。(因为K、Na与水反应速度非常快。)即使K、Na被冲起,也可被平底烧瓶的球部抵挡回去,因此一般不会冲出瓶外伤人。

过氧化钠性质实验的补充

过氧化钠和硫反应将01克硫磺粉和1克Na2O2放在蒸发器中,混合均匀,堆放在蒸发器中间,用玻棒在混合物中间形成一小穴,用滴管在小穴中加入1~3滴水,迅速离开,在几秒内,反应立即发生,发出耀眼的火光和烟雾。

过氧化钠和铝反应将05克铝粉和1克Na2O2用玻棒混合均匀,堆放在金属园盘的中部,在顶部中间形成一小穴,用滴管在顶部小穴中加1~2滴水,迅速离开,不要直接注视,在一二秒种内,发生灼眼的光和火,冷却后,产物由红变灰。

Na2O2性质实验的改进和补充按高一化学第四章介绍的方法演示Na2O2与H2O的反应,由于反应激烈,致使用带火星的木条检验氧气放出的操作显得十分仓促。为此,我们对该实验进行了改进,操作装置如图1;并补充了Na2O2与CO2反应的实验,操作装置如图2。两个实验操作都很方便,且效果也都很好。

过氧化钠的性质实验

高中化学课本讲到过氧化钠是强氧化剂,它可以与水和二氧化碳发生反应,放出氧气。我们进行以下操作,验证过氧化钠的这一性质。

实验用品:石棉网,棉花,锯末,胶头滴管,细玻管,药匙,过氧化钠,pH试纸,石灰水。

实验方法:

(1)取一小团棉花置于石棉网上,然后将少量干燥的粉末状过氧化钠(半药匙)撒在棉花上。用胶头滴管向上面滴加几滴热水,棉花即刻冒烟起火。

2Na2O2+2H2O=4NaOH+O2↑取部分残留物放于试管中加水振荡,检验溶液的酸碱性。

(2)将粉末状过氧化钠与干燥的锯末按1:2(质量比)混匀,堆在石棉网上,中间稍凹,再在凹处加入少量过氧化钠,然后用胶头滴管滴加几滴热水,锯末立即起火燃烧。残留物处理同上。

(3)用少量粉末状过氧化钠均匀的撒在一团棉花上,立即用口通过一根细玻管向棉花吹气,棉花上过氧化钠颜色先加深,片刻起火燃烧。

2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2↑取燃烧残留的白色固体溶解于试管中,检验其酸碱性及CO32-离子。

注意:

(1)由于过氧化钠强烈腐蚀皮肤,取用时要非常小心。

(2)过氧化钠用后立即密封保存,防止吸收空气中CO2、H2O而变质。

Na2O2和CO2反应是放热反应的验证

操作方法

①在玻试管的底部垫玻璃棉,再放石灰石(7)且把试管固定在铁架台上。(9为玻璃棉)②将1∶2的盐酸加到集气瓶(8)里(约50ml左右)。

③将蜡烛(3)点燃用镊子夹住放入无底集气瓶。

④取一角匙过氧化钠(2),用棉花包好,用镊子夹住放在铜丝网架(4)上(注意:棉花不能让蜡烛火烧着)。

⑤将试管放入盐酸中,石灰石与盐酸反应产生二氧化碳。当二氧化碳上升集气瓶中,不久蜡烛火焰就熄灭了。二氧化碳继续上升与棉花接触后棉花就燃烧起来。

说明

这套实验装置所演示的实验,一方面说明了二氧化碳气体既不能燃烧,也不能支持燃烧,具有灭火的性能。另一方面说明了过氧化钠与二氧化碳反应是一个放热反应并有O2放出,当温度达到棉花的燃点时,棉花就会燃烧起来。

Na2O2和CO2反应的实验改进

演示过程:

(1)先把试管A中的导管插入澄清的石灰水中,加热A中的NaHCO3,可观察到澄清的石灰水变浑浊。说明NaHCO3受热分解生成CO气体,2NaHCO3△Na2CO3+H2O+CO2↑,然后把试管A中的导管取出,接通洗气瓶B。

A卫生香或蚊香;B、M塑盖;CEGNa2O2;DFH硅胶;INa2CO3;J第三料层;K第二料层;L第一料层;N4mol/LHCl;O内排空空气;PQ注射器(2)用排水法收集一瓶气体后,往集气瓶中插入一根带火星的火柴,火柴复燃,证明收集到的气体为O2,而不是CO2。

(3)反应完毕,把二通管C中的脱脂石棉连同粘在上面的物质放入试管中,加入稀盐酸,然后迅速把带有塞子的吸满澄清石灰水的滴管塞住试管口,可观察到石灰水变浑浊,证明NaO2和CO2反应以后生成了新物质Na2CO3。

实验时,将导气管与气体发生装置接通,当估计漏斗中的空气排尽时,即可点火。此法适用于难溶于水、密度较小的可燃性气体的点燃实验,如:氢气、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔等。

Na2O2与CO2反应的连续快速实验

在讲解钠的化合物一节中,均涉及到Na2O2与CO2反应的实验。

以往用集气瓶法。常因木条余烬伸插稍慢,揭盖瞬间O2已逃逸殆尽(此反应为中和放热反应,O2又浮于CO2上部)而失败。又因需预先集气,费时费事,故阻碍着随堂演示的开出率。鉴于此,辽宁电子工业学校李庆余、商桂英老师改用“连续快速微型法”,省时省事,效果较好。

装置取一支粗玻璃管或将破漏底部的大试管切齐,管下部用塑盖封好,若封不严再用熔蜡封牢。

在管内放入适量固体碳酸钠,在其上放入少量固体干燥剂一硅胶(或氯化钙),硅胶上再放一定量的Na2O2,这可作为第一料层。在填充第二、三……料层时,与第一料层不同处:

是省去了Na2CO3层。仅填充硅胶和Na2O2,管口盖上塑盖。

填料完毕,可在底部塑盖上并排插入P、Q两支注射器针管。在未插入之前Q注射器已吸满盐酸;P注射器需将其内空气排尽。

实验时,先将一支卫生香或细蚊香点燃呈余烬状,穿过上塑盖预制孔。由于管中尚有被封入的残存空气,所以香头余烬暂不熄灭。其光亮却渐渐变淡,若此刻演示,只需上推Q注射器针栓使盐酸浸渍Na2CO3层,万不可超越此层,此点要特别注意!化学反应方程式:

Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑所产生之CO2经硅胶层进入Na2O2中,因CO2为酸性气体,其与碱性固体Na2O2反应虽在表面进行,但因是中和反应,故速度甚快,其化学反应方程式:

2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2↑由于反应放热使刚生成的O2迅速上浮至香头余烬处,立即使其余烬复亮致燃,现象十分明显。

回收残液,不留污物待第一次实验完毕,即第一料层反应殆尽,所产生之NaCl残液可由P注射器及时抽出,备作蒸发结晶提纯食盐实验用,当多次实验完,粗玻璃管中唯一剩下之物是硅胶,因其难溶于水和酸,可取出烘干再用。从而达到无废弃,全回收之效。

连续快速,省时省事由于随残液被抽出。第二料层及其上诸层随之下沉回落。由于和CO2的作用第二料层的Na2O2转化为Na2CO3,成为第二次实验提供CO2气源之原料,若需再演示,只需再插Q注射器针栓,重新注进盐酸即可,若蚊香第一次烧尽,可另换一支点燃,重复上述操作……如此这般可连续多次。

Na2O2和CO2反应的定量实验

高一化学第四章中讲到Na2O2和CO2反应:2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2↑。当Na2O2每吸收2摩尔CO2后只能放出1摩尔的氧气。即反应物气体和生成物气体的物质的量之比为2∶1。根据阿佛加德罗定律:相同状况下气体的物质的量之比等于气体的体积之比。如果此反应在密闭的容器中进行,容器体积不变,反应后气体温度很快又恢复到室温,反应后容器中氧气的压强应是原来气体压强的一半。根据这一性质和原理,我们设计了一套Na2O2和CO2反应的定量实验: