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王玉紅**糜鑌宋瑞峰
（重慶科技學院物理生物與材料工程大學四川成都）
鈉在空氣中的燃燒是中學物理重要的課堂演示實驗之一[1-2]。鈉燃燒形成紅色或頗有黑色的二溴化鈉固體，伴隨著強烈的發光與吸熱現象的同時探究物質燃燒的條件實驗視頻，濃煙被釋放到空氣中。教科書中的鈉燃燒實驗采用在石棉網[1]或坩堝[2]中加熱鈉的技巧。石棉網中反應的缺陷是有太多的紅色物質留出來，石棉網容易損毀；坩堝中的反應，因為其不透明，中學生很難直觀燃燒的過程；兩種方式容易形成冒煙，導致嚴重的空氣污染。課堂演示實驗的基本目標是清晰直觀，通過觀察物質的化學物理反應現象，讓中學生直接與物質的變化構建關系，產生物理概念，形成具象概念，因而有助于提升中學生對各類物理反應原理和物理概念的學習[3]。為此，鈉的燃燒實驗必須解決展示鈉的充分燃燒和防止空氣污染的問題。
近些年來，物理教育工作者仍然在改進鈉燃燒課堂演示實驗[4-7]，主要目標是使反應現象清楚，盡可能防止環境污染。大部份的改進是選擇不同的載體作為反應容器，降低廢氣回收裝置。用玻璃或金屬材料取代反應容器，如破碎的試管或硬管、燃燒的叉子或鋁罐；后者材料透明容易觀察實驗，前者使用了環保材料。但是，這種改進要么應用了過分復雜的裝置，要么實驗現象不令人滿意。其實，復雜操作的裝置比較費時，不利于順利完成演示實驗。雖然這么，物理工作者們多年持續的探求性實驗發覺：鈉完全燃燒的產物是黑色二溴化鈉固體，極少量的超氧化鈉的生成使產物表現為淡紫色的固體[8-10]；非常是氣溫和二氧化碳量成為影響鈉含量和顏色變化的主要誘因[7,8,11]。為了更好的完成鈉在空氣中燃燒的演示實驗，有必要從最佳觀察療效和防止環境污染的角度，設計一種新的鈉燃燒的實驗裝置，保證課堂演示實驗中，現象清晰、操作可控、安全環保。
1簡易實驗裝置的設計
本文設計了一種新型的簡易鈉燃燒實驗裝置。設計思想基于鈉燃燒反應的原理和反應速度的控制誘因。鈉燃燒涉及物理反應動力學，鈉與空氣中的二氧化碳反應平緩探究物質燃燒的條件實驗視頻，生成黃色固體氧化鈉；當鈉在空氣中燃燒時，形成黑色固體二溴化鈉。燃燒是劇烈的反應，反應速率快。為此，二氧化碳的量起著關鍵作用[11-12]。在空氣中加熱鈉時，須要足夠的二氧化碳。降低空氣量是保證鈉充分燃燒的關鍵。即使降低注氣壓力裝置可以解決這一問題，但從實驗的可操作性來看并不可取。為了簡單有效地降低空氣量，考慮了水塔效應[13-14]的作用。圖1所示的Z型硬質玻璃管是借助水塔效應設計的鈉燃燒的實驗裝置。該裝置材料采用硬質玻璃管，材質透明、耐低溫、易加工。當酒精燈加熱鈉時，管內的空氣被加熱，產生熱空氣流，密度增加，從玻璃管的兩側逸出。因為兩邊密度不同，形成壓力差，促使了外部空氣從左管線步入，加速了管線中的二氧化碳流動。快速流動的空氣確保足夠的二氧化碳，保證鈉了的充分燃燒，生成目標產物二溴化鈉。因為巰基化鈉的熔點和沸點分別為460℃和675℃，形成的部份二溴化鈉放熱弄成冒煙。濃煙在氣流作用下上升，氣溫回升，在稍冷的玻璃管內壁冷卻。為此，除了保證了中學生清晰地觀察到鈉與二氧化碳的反應現象，并且防止有毒物質的釋放。
圖1.鈉燃燒裝置
2實驗內容
2.1實驗材料
硬質玻璃管（直徑10mm，外徑7mm）、銼刀、割炬或酒精噴燈、試管夾、酒精燈、小刀、濾紙，鉗子、金屬鈉。
2.2Z型硬質玻璃管的制做
用油石切割出不同厚度的玻璃管，在燃氣氣割或酒精噴燈上加工，制成左右不同厚度的Z型玻璃管。
2.3鈉在空氣中燃燒
用小刀切出黃豆粒大小的鈉，用濾紙從表面吸去煤油。用鉗子將鈉顆粒放置在干燥的Z型玻璃管中間部份緊靠兩側管的位置。用試管夾捉住硬質玻璃管。燃起酒精燈，首先加熱鈉顆粒的兩側，之后加熱鈉顆粒，鈉開始燃燒后停止加熱，觀察鈉的燃燒過程。
3結果和討論
為了充分借助水塔效應，促使空氣流動，Z型玻璃管的左右兩邊必須有高度差[13-14]。為了找尋最佳的Z型玻璃管，設計制做了五種不同厚度的玻璃管（a、b、c、d、e），如圖2所示。研究了左右兩側厚度的變化對實驗結果的影響，結果如圖2所示（拍攝角度不同造成玻璃管不是直角）。
圖2.不同左右玻璃管厚度對實驗結果的影響
從圖2可以看出，c和d的Z型管具有良好的實驗結果。鈉充分燃燒形成黑色二溴化鈉。其實純的二溴化鈉為黑色，但燃燒法制備的二溴化鈉因富含極少量的超氧化鈉而呈現淺藍色[7,8,10]。鈉燃燒的現象和過程表明，在一定的加熱條件下，空氣量是實驗成功的關鍵。用Z形c管，鈉在玻璃管中迅速融化，產生一個明亮的圓球，3-5秒后，形成亮藍色火焰，并形成冒煙。試管中鈉的顏色從白色變為藍色和淺藍色，右邊玻璃管內壁粘有冒煙，如圖2（c）所示。與c類似，使用左側寬度小于或等于15cm的Z形d管，燃燒鈉更充分，火焰更大。但是，鈉在b中反應時，迅速融化成明亮的圓球，但火焰較小，有少量濃煙從左側管逸出。據悉，在a和e管中，鈉迅速融化，沒有火焰形成，有濃煙從左側管逸出，尤其是在e管中燃燒時，易發生回煙現象。因而，合適的Z管是右長大于或等于15cm，左長3-5cm，中長5cm（實驗現象見視頻）。
借助Z型管進行鈉在空氣中的燃燒具有以下優點：（1）實現了鈉的安全燃燒，基本上沒有二溴化鈉和氧化鈉的逸出。（2）Z-型管的設計能迸發中學生的好奇心和熱情，成為中學生主動提問的跳板。為何要這樣設計，有哪些問題可以解決？這有助于培養中學生的探究能力和邏輯思維能力。（3）改進后的實驗能將不同概念的本質聯系上去，培養中學生對物理概念的深刻理解，Z管除了提供了一個有用的反應容器，并且將燃燒的概念與其他化學和物理的概念聯系上去。充分燃燒與水塔效應有關，水塔效應涉及化學學中氣壓和密度的概念。濃煙胺基化鈉在玻璃管內壁的冷凝與物質的液相沉積、熔點和沸點的概念密切相關。
4小結
Z型管是實現鈉在空氣中燃燒的有效裝置。Z型管始于低成本的材料，易加工。Z型管是一種良好的載體，能安全、清晰地進行鈉的氧化，防止了有毒物質的逸出。借助該裝置實驗，操作簡單，環境友好。本簡易裝置適用于小學物理演示實驗教學和專科無機物理實驗教學。
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