钠与水反应实验现象剖析

1、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

2、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答案，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）

3、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

4、见解，教学中可以设计以下两个实验来作证：实验一 将饱和食盐水（增大密度）与11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CO2驱动着鸡蛋缓缓游动。实验二 用纱布把510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Na2O和少量Na2O2生成，并立即跟水反应生成NaOH。最初 2Na+2H2O=2NaOH+H2+Q1Na溶化后 4Na+O2=

5、2Na2O+Q2（燃烧前） 2Na2O+O2=2Na2O2（少量）Q3Na2O+H2O=2NaOHQ42Na2O2+2H2O=4NaOH+O2+Q5以上均系放热反应。鉴于H2的自燃点高达585，因此首先着火的不是H2，而是Na：在继Na着火之后，立刻就是H2被钠焰点着，呈现Na，H2同时在空气中燃烧的情况。与此同时，Na燃烧生成较多的Na2O2与水反应生成O22Na2O22H2O=4NaOHO2当反应生成的O2与H2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。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

6、现象，则主要是Na2O2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。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O2的量所制约的。当钢球上方的空气被氢气赶走到极稀少时，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N2（用

7、饱和NH4Cl与NaNO2混和液加热制备）。余下的水留作跟钠反应。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）的环境的实验方法极为简单：取一只小试管，先注入12mL水，再放入一小

8、块金属钠。钠与水反应产生的H2将迅速赶走管内的空气。这时既无空气中的O2，更没有Na2O2跟水反应产生的O2，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、Na2O2，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检测，均