金属钠燃烧现象的探究与实验改进
河南省卢氏县第一高级中学
曲海江
指导老师：徐东海
摘要：钠在空气中燃烧本应该可以观察到淡黄色火焰同时生成淡黄色的固体，但实验中却发现产生大量的白烟同时生成物质中有黑色的固体。这样就干扰了学生对实验现象的认知。本文将钠燃烧的异常现象作为课后研究性学习的内容，主动设计探究实验进行验证，并对实验方案不断进行改进，从而提出了最优的实验方案。
关键词：钠；燃烧；黑色固体；淡黄色固体；优化实验
引言：在高中化学新教材中，钠的燃烧都是必选实验。该实验的操作很简单，通常为：“把一小块金属钠放在石棉网上加热，观察现象”„，但是按此操作进行多次实验后发现效果很不理想，本应看到的明显淡黄色火焰却伴有白烟使之观察起来不太明显，本应得到纯净的淡黄色固体，却固体中存在一些黑色物质，这样无疑会干扰学生得出正确的实验结论。在新课程中将“把一小块金属钠放在石棉网上加热，观察现象”改为“把一小块金属钠放在瓷坩埚上加热，观察现象”，现象有所改观，但仍是不太完美，因此本文中主要探讨一下：
① 在钠燃烧中产生的白烟为何物？
② 为什么在产物中会有黑色物质？这些黑色物质为何物？
③ 如何优化实验才能明显观察到淡黄色火焰，同时产生比较纯净的淡黄色固体？
1、在钠燃烧中产生的白烟为何物？
烟为固体小颗粒，白烟为何物呢？笔者通过大量的文献资料调研和查阅了北师大版的无机化学以及参考相关论文中引用的理论知识，分析如下：钠的燃烧产物与氧气浓度和反应温度有关，在低温和氧气不足的情况下生成氧化钠。
氧化钠在400℃时也容易分解生成过氧化钠。
另外，查资料可知Na2O2在460℃时熔化并分解。
综上分析，白烟为氧化钠，为了避免氧化钠的生成，必须要控制温度在400～460℃之间，这是该实验改进的核心方向。这就要求钠在燃烧时不能不充分也不能太充分，要把握火候。
2、为什么产物中有黑色物质？这些物质为何物？
通过大量的资料调研，笔者总结其他研究者对黑色物质的探究有如下结论： ①附着煤油，煤油的不完全燃烧及产物二氧化碳和金属钠反应均可以生成碳。 ②空气中的二氧化碳和金属钠反应生成碳。 ③金属钠存在杂质铁元素，燃烧时生成铁的氧化物。 ④石棉网的材料可能对实验起干扰作用。
⑤酒精燃烧产生的二氧化碳穿过石棉网空隙与金属钠反应。
为了解决第一个问题，我们可以在实验前对钠块进行一定的处理，先用滤纸初步吸取钠表面的煤油，再用小刀切去钠块的表层物质，然后取合适大小的钠块置于反应器中，用酒精灯小火加热反应器约20秒，以尽量将残留在钠块表面的煤油除去，再进行实验。
为了解决第二个问题，我们需要隔绝空气，但是我们知道空气中的二氧化碳含量只有0．03％，非常少，笔者觉得也不应该是空气中的二氧化碳和单质钠在燃烧时反应生成的。通过我们的改进后的实验证明这一点完全可以忽略。
第三个问题金属钠存在杂质铁元素，燃烧时生成铁的氧化物。通过调研，我们在钠试剂标签上发现上面标注有成分：纯度89％，杂质含量：氯化物0．003％，氮0．002％，铁0．002％等。杂质量非常少，与我们看到在钠实验中看到的产生大量的黑色物质相比，笔者认为这个问题可能不是产生黑色物质的主要问题。
关于第四个问题和第五个问题，我们只需要把石棉网换掉，换成瓷坩埚就可以排除这两个问题对实验的干扰。
3、如何优化实验才能明显观察到淡黄色火焰，同时产生比较纯净的淡黄色固体？
笔者通过分析认为，我们要主要解决两个问题：
①必须要控制温度在400～460℃之间，这是该实验改进的核心方向。这就要求钠在燃烧时不能不充分也不能太充分，要把握火候。
②必须要处理掉钠表面附着的煤油，煤油的不完全燃烧及产物二氧化碳和金属钠反应均可以生成碳。
笔者为了控制温度对实验作如下改进：
教材钠燃烧的实验在完全敞开的体系进行，燃烧太充分，温度太高会产生大量的白烟。笔者的改进实验，让反应发生在一个半封闭的体系中发生，反应所需氧气由外界不断地补给，使反应处于可控制的条件下，实践证明现象确实比较明显，尤其值得注意的是，在间歇性鼓入空气时，金属钠燃烧时有时无，淡黄色现象特别明显。
如右图所示装置，瓷坩埚里放黄豆粒大小的、用滤纸吸干表面煤油的、切去表面氧化层的一块金属钠，然后置于反应器中，用酒精灯小火加热反应器约20秒，以尽量将残留在钠块表面的煤油除去，再进行放入瓷坩埚中加热至熔化，待刚刚燃烧时，在瓷坩埚上扣一个比瓷坩埚口径稍小的漏斗，并移开酒精灯，适时把漏斗提上、放下以调节进入空气的量，控制钠燃烧的火焰若明若暗，似燃非燃，似熄非熄，待移开漏斗观察不再有火光时，即发现有黑色固体产物，其颜色随着瓷坩埚温度的降低，逐渐变成棕色----橙黄色----淡黄色(Na2O2)，看上去是珊瑚形状。同时在实验过程能够观察到明显的淡黄色的火焰，没有白烟的干扰了。
笔者的改进实验，采用简单装置和简便操作，通过双限的方式，即限制空气的进入量和限制反应温度，很好地控制燃烧的温度，使钠燃烧生成过氧化钠。实验结果发现能够产生较纯净的淡黄色固体，比教材实验有很大的优化，更能说明温度是该实验成功的关键因素。
笔者为了探究钠表面的煤油对实验的影响，设计对比实验如下：
实验 实验一 实验二 实验三 实验结果：
实验 实验一 实验二 实验三
火焰颜色 有黑烟 有少量黑烟 明显淡黄色火焰
产物
不纯净有大量黑色物质 有少量黑色物质 纯净淡黄色固体
实验装置 改进后的实验装置
同上 同上
钠粒大小 黄豆粒大小 同上 同上
表面处理 不处理 仅用滤纸吸干煤油 深层次处理
实验结论：对表面煤油的处理也是影响实验成功与否的关键，所以我们要做出更好的实验效果，必须对钠块表面的煤油进行深层次的处理。
4、实验改进实践的收获
通过以上对钠燃烧实验进行改进的实践研究发现，控制实验温度，对煤油深层次的处理和使用瓷坩埚是这个实验成功的关键；通过笔者对教材实验存在的不足进行改进，增强实验的演示效果；同时通过研究使笔者在对这一实验改进的研究中收获颇多，首先在改进实验时，要明确改进目的；其次要用理论分析指导实验改进，寻找关键因素，确定改进方向；最后要形成实验改进思路，不宜脱离实际，变简为繁，改进后应力求装置简单、操作简便、现象明显、效果显著。
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