钠与水反应的实验改进

刘婷婷 宋秀莲

(湖北省宜昌市三峡高级中学)

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准》(2017年版2020年修订)在实施建议中提出:①应重视实验探究,适当增加微型实验、数字化实验、定量实验,让学生体会、认识技术手段对化学学科的重要价值;②利用信息技术提高课堂效率和质量,强化信息技术与化学教学的深度融合。钠与水的实验探究是学习钠的化学性质的重要载体,是培养学生证据推理的学科核心素养的重要素材。在学业要求中提到,学生应能设计实验进行初步论证,并能分析、解释有关实验现象。

钠与水的实验出现在教材的探究模块,探究活动的目的之一是让学生获取实验证据,了解钠与水反应的生成物。该实验操作简单,安全性也可控,《教师教学用书》中指明该实验可由学生完成。但教材中的实验没有产物氢气的检验环节,证据素材不够完备,《教师教学用书》中也同样提出“可以补充气体生成物的收集和检验的实验”。目前一线教师在教学中主要采用的是点燃法进行氢气的检验,而实验改进的关键点主要聚焦在点燃该可燃性气体时,如何保证操作的安全性。为了更加安全地完成氢气点燃的实验,实验者必然会探究如何使反应装置的气密性更好。其创新的视角是装置的密封性和实验操作的安全性,例如,现有文献关于氢气的检验方式主要为气球、注射器、肥皂水等收集氢气后点燃。而这些改进实验对于入学不久的高一学生来说,操作不够简单,安全性不一定能够保证,仅适用于教师做演示实验。笔者之前在授课过程中,采用的是学生先按照教材中的实验进行探究,教师再补充演示实验验证产物有氢气,需要进行两次实验,教学环节略繁琐。因此,笔者将现有工业生产实际中检测氢气的装置——氢气检测仪引入实验教学,在确保安全性和不增加操作难度的前提下,证据素材一次性呈现,便于学生实验探究。

现有钠与水实验探究是根据钠熔化成小球推理得出反应放热,根据反应放出的热量能使钠熔化得出钠的熔点低的结论。在实际教学中,由于学生刚进入高中,根据实验现象从反应的能量视角分析出“钠与水反应放热”这个结论相对困难,因此需要教师在实际教学中,用带有指向性的语言,清晰地提示学生反应放热还是吸热,学生才会作出相应的正确回答。学生由现象推理出预期的结论难度大,故笔者将工业生产中的手机热成像仪引入实验教学,用直观的热成像图和温度数据来辅助学生突破能量难点,将该实验的研究视角从物质转化转向物质、能量双视角。

二、关键实验仪器的功能介绍

(一)氢气检测仪

本实验用到的氢气检测仪是希玛仪表(SMART SENSOR)。它是利用传感器来捕捉氢气并进行定量测定,该仪器的测量范围是0～1 000 ppm,分辨率是1 ppm。氢气检测仪(见图1)在检测到环境中的氢气时,氢气浓度读数会显示在液晶显示屏上。仪器提供用户可自行设置低浓度/高浓度报警功能,当检测结果超过预先设置的报警设定值,仪器便以声、光及振动报警提醒用户。该氢气检测仪的表盘在实际测量时会实时显示环境中氢气的浓度,测定结束后操作者可以由氢气读数模式切换到峰值显示模式。在峰值显示模式下,屏幕将显示氢气传感器测得的最高气体浓度值。

图1 手机热成像仪(左) 氢气检测仪(右)

(二)手机热成像仪

本文所采用的手机热成像仪是FLIR ONE安卓版(如图1)。它可以直观地呈现出热成像图,通过颜色差异判断出反应中的高温区和低温区。与此同时,可以设定3个可移动的点测温,实时监测反应中高温区温度和低温区温度。

三、实验步骤与现象

【步骤】向烧杯中加入一些水,滴入几滴酚酞溶液,氢气检测仪放置在烧杯附近,手机热成像仪通过手机支架固定在烧杯上方,然后把一块绿豆大的钠放入水中。

【常规现象】钠浮在水面,迅速熔成小球,四处游动,发出嘶嘶声,溶液变为红色。

【特有现象】氢气检测仪屏幕上实时显示氢气浓度。当氢气浓度达到预设值50 ppm时,氢气检测仪发出报警声,氢气浓度最大为490 ppm(见图2)。与此同时,手机热成像仪的手机界面输出动态的热像图(见图3),钠所到之处呈现橙黄色为高温区,钠游走后该区域橙黄色逐渐变浅直至消失,变为低温区。设置三个温度采集点,钠所在之处采集到的温度为66.4℃,两处低温区采集到的温度分别为11.0℃和12.8℃。

图2 氢气检测仪实时监测氢气浓度

图3 手机热成像仪下钠的轨迹和温度显示

四、几点说明

1.反应的发生装置同教材一样用烧杯,延续操作简便和便于观察现象的优势,但引入了氢气检测仪和手机热成像仪,增加了产物氢气的检验和反应放热的直观证据素材。

2.经多次实验,绿豆大小的钠块放入水中,置于敞开的常规教室中,氢气局部浓度最高达 490 ppm(0.049%),远小于氢气的爆炸极限4%～75.6%,不存在安全隐患。教师可以给氢气检测仪预先设置一个合适的报警值,氢气浓度达到设定值后检测仪报警,充分调动学生的听觉感官,以便快捷、全面地获取实验现象。本实验中,笔者提前设置的报警值是50 ppm,这样既不会刚产生气体就报警,也不会反应结束也不报警,是一个比较合理的值。

3.手机热成像仪采集的热像图能实时呈现高温区和低温区,橙黄色表征高温区。钠所到之处为高温区,钠的游动轨迹通过橙黄色区域的动态变化呈现出来。随机采集橙黄色高温区和非橙黄色低温区的具体温度,根据温度差可定量证明钠与水反应放热。

4.钠迅速移动,造成能量散失,如实验采集过程中未采集到高于100℃的数据,为解释钠与水反应过程中的水汽化出现白雾的现象,可增补实验。笔者引入数学中的极限思想,将少量的钠块放入三滴水中(见图4),实时监控数据,成功获得钠熔化成小球时局部温度达100.9℃(见图5)。

图4 微量化的钠与水实验

图5 钠熔化成小球时,局部温度高达100.9℃