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王玉红**糜镔宋瑞峰
（重庆科技学院物理生物与材料工程大学四川成都）
钠在空气中的燃烧是中学物理重要的课堂演示实验之一[1-2]。钠燃烧形成红色或颇有黑色的二溴化钠固体，伴随着强烈的发光与吸热现象的同时探究物质燃烧的条件实验视频，浓烟被释放到空气中。教科书中的钠燃烧实验采用在石棉网[1]或坩埚[2]中加热钠的技巧。石棉网中反应的缺陷是有太多的红色物质留出来，石棉网容易损毁；坩埚中的反应，因为其不透明，中学生很难直观燃烧的过程；两种方式容易形成冒烟，导致严重的空气污染。课堂演示实验的基本目标是清晰直观，通过观察物质的化学物理反应现象，让中学生直接与物质的变化构建关系，产生物理概念，形成具象概念，因而有助于提升中学生对各类物理反应原理和物理概念的学习[3]。为此，钠的燃烧实验必须解决展示钠的充分燃烧和防止空气污染的问题。
近些年来，物理教育工作者仍然在改进钠燃烧课堂演示实验[4-7]，主要目标是使反应现象清楚，尽可能防止环境污染。大部份的改进是选择不同的载体作为反应容器，降低废气回收装置。用玻璃或金属材料取代反应容器，如破碎的试管或硬管、燃烧的叉子或铝罐；后者材料透明容易观察实验，前者使用了环保材料。但是，这种改进要么应用了过分复杂的装置，要么实验现象不令人满意。其实，复杂操作的装置比较费时，不利于顺利完成演示实验。虽然这么，物理工作者们多年持续的探求性实验发觉：钠完全燃烧的产物是黑色二溴化钠固体，极少量的超氧化钠的生成使产物表现为淡紫色的固体[8-10]；非常是气温和二氧化碳量成为影响钠含量和颜色变化的主要诱因[7,8,11]。为了更好的完成钠在空气中燃烧的演示实验，有必要从最佳观察疗效和防止环境污染的角度，设计一种新的钠燃烧的实验装置，保证课堂演示实验中，现象清晰、操作可控、安全环保。
1简易实验装置的设计
本文设计了一种新型的简易钠燃烧实验装置。设计思想基于钠燃烧反应的原理和反应速度的控制诱因。钠燃烧涉及物理反应动力学，钠与空气中的二氧化碳反应平缓探究物质燃烧的条件实验视频，生成黄色固体氧化钠；当钠在空气中燃烧时，形成黑色固体二溴化钠。燃烧是剧烈的反应，反应速率快。为此，二氧化碳的量起着关键作用[11-12]。在空气中加热钠时，须要足够的二氧化碳。降低空气量是保证钠充分燃烧的关键。即使降低注气压力装置可以解决这一问题，但从实验的可操作性来看并不可取。为了简单有效地降低空气量，考虑了水塔效应[13-14]的作用。图1所示的Z型硬质玻璃管是借助水塔效应设计的钠燃烧的实验装置。该装置材料采用硬质玻璃管，材质透明、耐低温、易加工。当酒精灯加热钠时，管内的空气被加热，产生热空气流，密度增加，从玻璃管的两侧逸出。因为两边密度不同，形成压力差，促使了外部空气从左管线步入，加速了管线中的二氧化碳流动。快速流动的空气确保足够的二氧化碳，保证钠了的充分燃烧，生成目标产物二溴化钠。因为巯基化钠的熔点和沸点分别为460℃和675℃，形成的部份二溴化钠放热弄成冒烟。浓烟在气流作用下上升，气温回升，在稍冷的玻璃管内壁冷却。为此，除了保证了中学生清晰地观察到钠与二氧化碳的反应现象，并且防止有毒物质的释放。
图1.钠燃烧装置
2实验内容
2.1实验材料
硬质玻璃管（直径10mm，外径7mm）、锉刀、割炬或酒精喷灯、试管夹、酒精灯、小刀、滤纸，钳子、金属钠。
2.2Z型硬质玻璃管的制做
用油石切割出不同厚度的玻璃管，在燃气气割或酒精喷灯上加工，制成左右不同厚度的Z型玻璃管。
2.3钠在空气中燃烧
用小刀切出黄豆粒大小的钠，用滤纸从表面吸去煤油。用钳子将钠颗粒放置在干燥的Z型玻璃管中间部份紧靠两侧管的位置。用试管夹捉住硬质玻璃管。燃起酒精灯，首先加热钠颗粒的两侧，之后加热钠颗粒，钠开始燃烧后停止加热，观察钠的燃烧过程。
3结果和讨论
为了充分借助水塔效应，促使空气流动，Z型玻璃管的左右两边必须有高度差[13-14]。为了找寻最佳的Z型玻璃管，设计制做了五种不同厚度的玻璃管（a、b、c、d、e），如图2所示。研究了左右两侧厚度的变化对实验结果的影响，结果如图2所示（拍摄角度不同造成玻璃管不是直角）。
图2.不同左右玻璃管厚度对实验结果的影响
从图2可以看出，c和d的Z型管具有良好的实验结果。钠充分燃烧形成黑色二溴化钠。其实纯的二溴化钠为黑色，但燃烧法制备的二溴化钠因富含极少量的超氧化钠而呈现浅蓝色[7,8,10]。钠燃烧的现象和过程表明，在一定的加热条件下，空气量是实验成功的关键。用Z形c管，钠在玻璃管中迅速融化，产生一个明亮的圆球，3-5秒后，形成亮蓝色火焰，并形成冒烟。试管中钠的颜色从白色变为蓝色和浅蓝色，右边玻璃管内壁粘有冒烟，如图2（c）所示。与c类似，使用左侧宽度小于或等于15cm的Z形d管，燃烧钠更充分，火焰更大。但是，钠在b中反应时，迅速融化成明亮的圆球，但火焰较小，有少量浓烟从左侧管逸出。据悉，在a和e管中，钠迅速融化，没有火焰形成，有浓烟从左侧管逸出，尤其是在e管中燃烧时，易发生回烟现象。因而，合适的Z管是右长大于或等于15cm，左长3-5cm，中长5cm（实验现象见视频）。
借助Z型管进行钠在空气中的燃烧具有以下优点：（1）实现了钠的安全燃烧，基本上没有二溴化钠和氧化钠的逸出。（2）Z-型管的设计能迸发中学生的好奇心和热情，成为中学生主动提问的跳板。为何要这样设计，有哪些问题可以解决？这有助于培养中学生的探究能力和逻辑思维能力。（3）改进后的实验能将不同概念的本质联系上去，培养中学生对物理概念的深刻理解，Z管除了提供了一个有用的反应容器，并且将燃烧的概念与其他化学和物理的概念联系上去。充分燃烧与水塔效应有关，水塔效应涉及化学学中气压和密度的概念。浓烟胺基化钠在玻璃管内壁的冷凝与物质的液相沉积、熔点和沸点的概念密切相关。
4小结
Z型管是实现钠在空气中燃烧的有效装置。Z型管始于低成本的材料，易加工。Z型管是一种良好的载体，能安全、清晰地进行钠的氧化，防止了有毒物质的逸出。借助该装置实验，操作简单，环境友好。本简易装置适用于小学物理演示实验教学和专科无机物理实验教学。
参考文献
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