基于证据推理进行演示实验改进

摘 要 过氧化钠制备实验存在产物少、杂质多、现象不明显等不足，且存在钠在坩埚中燃烧时坩埚易裂等问题。通过实验探索与尝试，使用一种“特种陶瓷”蒸发皿，能够观察到明显实验现象，获得理想的过氧化钠固体。改进后的实验在引导学生观察现象、获取证据、分析推理等方面具有重要意义，进而发展学生证据推理素养。

关键词 证据推理 实验改进 钠燃烧 过氧化钠性质探究

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中提出，“证据推理与模型认知”是化学学科核心素养的重要组成部分。基于此条核心素养设立的高中化学课程目标为“初步学会收集各种证据，对物质的性质及其变化提出可能的假设；基于证据进行分析推理，证实或证伪假设；能解释证据与结论之间的关系，确定形成科学结论所需要的证据和寻找证据的途径”[1]。推理是一种思维，建立在科学证据基础之上。在实际的课堂教学中，证据推理核心素养落地要关切各个方面。其中，实验证据作为科学证据之一，是学生在特定的实验情境下可以获得的重要证据，进而完成推理这一认知过程。教师要尽可能地开展教学实验、演示好实验，为学生观察现象、获得科学的实验证据、进行分析推理提供条件。

一、问题提出

钠是活泼金属的代表，钠在空气中燃烧是高中化学重要的演示实验。在实际教学中，钠燃烧实验存在如下不足：无论将钠置于石棉网上，还是坩埚中燃烧，都存在着生成物少、坩埚炸裂、实验现象不明显等不足，这影响学生观察实验现象、收集证据等，进而影响教学效果。同时，在后续课程中，在做验证过氧化钠性质实验时，由于过氧化钠性质活泼、极易变质，导致药品的浪费。

设想：能否通过改进实验将钠在空气中燃烧快速制备过氧化钠？并完成过氧化钠性质验证实验？钠燃烧实验的改进主要在灼烧容器和方式上推陈出新，为此，笔者进行了相关的实践探索。

二、演示实验的探究与改进

（一）过氧化钠性质验证实验分析与改进

待钠燃烧实验完成，坩埚稍冷却后，用胶头滴管往产物上滴水，并立刻用带火星的木条靠近。

1.实验现象：带火星的木条没有明显变化。

2.原因分析：可燃物燃烧需满足两个条件——着火点、助燃剂。带火星的木条没有复燃，可能是过氧化钠与水反应生成的氧气释放到空气中被稀释了，导致氧气浓度低。

3.改进办法：通过增加一个装置富集反应过程中产生的氧气，提升氧气浓度。

（二）氧气富集实验改进

如图1所示实验装置，用胶头滴管往生成了过氧化钠的坩埚中滴加水后，迅速将普通漏斗倒扣在坩埚上，再将带火星的木条快速伸入漏斗尖嘴处。

1.实验现象：火星变亮，但是木条没有复燃。

2.原因分析：火星变亮说明通过增加氧气浓度的方法是正确的。但是木条没有复燃，说明氧气的浓度还不够大。通过查阅文献资料，发现氧气体积分数达到36.0%以上时，带火星的木条才可能复燃[2]。可能原因是过氧化钠与水反应是放热反应，导致滴加的水快速蒸发稀释了氧气浓度。

3.改进办法：减少滴水量，同时通过增加钠的质量提升氧气的量，以此达到提升氧气体积分数的目的。①为减少水蒸气量，借鉴“滴水生火”“吹气生火”等实验中的经验，上述实验均用到了棉花，考虑用喷雾瓶喷湿棉花代替胶头滴管直接加水。②为提升氧气的量，考虑增加钠的用量。

（三）氧气体积分数提升实验改进

切取两块体积均约为黄豆粒大小的金属钠并将其置于坩埚中燃烧。燃烧完毕后，将喷湿的棉签伸入坩埚中摩擦固体产物。

1.实验现象：棉签烧红后变黑，但没有产生火焰。由于使用的钠量更大，在受热熔化后几乎将坩埚底部铺满，而产生的淡黄色物质的比例也在减少。燃烧更多的钠并没有生成相应比例的过氧化钠。

2.原因分析：无论在石棉网上还是坩埚中钠燃烧总会有黑色物质产生。因此在钠燃烧制过氧化钠实验中，想要获得更多的过氧化钠来产生更多的氧气，就要减少黑色物质生成。

通过查阅文献资料，对于产生黑色物质的可能原因主要有以下几种猜想：①石棉网中的石棉成分的影响；②煤油燃烧产生的二氧化碳被钠还原；③空气中的二氧化碳被钠还原。

石棉网中石棉成分的影响通过使用坩埚做实验已经被排除了，因为钠在坩埚中燃烧也有黑色物质生成。对于煤油燃烧产生二氧化碳的影响，将钠块的表面切去薄薄一层后进行实验，发现黑色物质有所减少但并未消除。对于空气中二氧化碳的影响，夏建华[3]等将除去表层的钠置于除去二氧化碳的空气（将空气通过碱石灰）中燃烧，实验发现黑色物质比在空气对照组中有所减少；江智永等[4]用六角螺帽固定钠块在铁板上加热，待钠熔化后用镊子取走螺帽，由于这个实验中铁板和螺帽组合为反应提供了更高的温度，内部的钠冲破表面氧化膜与空气接触，生成大量淡黄色固体。猜测钠燃烧时表面氧化膜的存在会导致燃烧后黑色物质比例增多。钠块内部在高温下冲破表面氧化膜后燃烧产生大量淡黄色固体的实验以及钠在坩埚中燃烧可以说明一些问题。在之前的尝试中，为了生成更多的过氧化钠以增大氧气量，而正是因为坩埚底部面积较小，较多的钠燃烧时内部的钠无法“突围”表面的氧化物薄膜。

3.改进办法：通过上述原因分析，将改进重心放在灼烧容器上，目的是使熔化后的金属钠能够摊开充分燃烧。考虑用蒸发皿代替坩埚进行实验。

（四）钠充分燃烧实验改进

切取黄豆粒大小的钠置于蒸发皿中燃烧。

1.实验现象：钠燃烧时产生的黑色物质集中在最初放入钠块的位置（图2中箭头所指位置），而熔化后从钠球中“突围”出来的“新”钠燃烧则开出艳丽的“黄色之花”，如图2所示。

新问题也随之产生，蒸发皿直接炸裂或隐裂，触碰后即发生散落（图2是坩埚钳取下蒸发皿前拍的图片）。这样不符合演示实验安全环保、仪器可以重复使用原则。

2.原因分析：蒸发皿炸裂可能与蒸发皿材质有关。

3.改进办法：通过查阅文献资料，并结合实际，分别用铝板（厚3 mm）和铸铁坩埚进行了试验。发现铝板的导热效果欠佳，用酒精灯加热铝板许久只观察到钠块变软，并未熔化；用铸铁坩埚进行实验虽然不裂，但是也出现了钠无法摊开燃烧的问题，且实验完毕后，发现铁坩埚被严重腐蚀。仪器改进再次关注到传统硅酸盐材料的蒸发皿。

硅酸盐材质蒸发皿有普通陶瓷和特种陶瓷两种不同材质。关于“特种陶瓷”蒸发皿，商品详情页的介绍是“加厚特种陶瓷”“耐高温1200 ℃”“加厚釉”。与普通陶瓷蒸发皿相比更重、更厚，75 mL规格的重量约为62克，厚度为3.018 mm；而同等规格普通蒸发皿约为54克，厚度为1.814 mm（见图3）。适当增加釉层厚度可以降低热膨胀系数[5]。

使用特种陶瓷蒸发皿进行三次钠燃烧实验，发现都没有出现裂痕。实验结束后，由于受釉层的保护，蒸发皿并没有被腐蚀得太严重，可浸泡洗净后继续使用，实验效果较为理想。

将实验改进最佳方案整理如下。

（五）实验改进最佳方案

1.实验用品

仪器：镊子，小刀，玻璃片，滤纸，小烧杯，大棉签（长20 cm），喷雾瓶，酒精灯，特种陶瓷蒸发皿，坩埚钳，三脚架，泥三角，石棉网，火柴。

药品：钠，酚酞溶液。

2.实验步骤

①将钠块从煤油中取出，切取两块黄豆粒大小的钠，用滤纸吸干钠表面煤油，再将其表面切去薄薄一层，切下的薄层放回原瓶。

②将钠块放到特种陶瓷蒸发皿中，点燃酒精灯。钠燃烧完后撤去酒精灯，冷却蒸发皿。

③用镊子从蒸发皿底部轻轻刮下一小块黄色产物放入装有少量水的小烧杯中，并滴加1～2滴酚酞溶液。

④用坩埚钳取下蒸发皿放在石棉网上。用手将棉签头部适当撕蓬松，再用喷雾瓶喷湿（潮湿即可，不可喷太多水），接着一手用坩埚钳夹持蒸发皿，另一只手握棉签用棉花部分接触淡黄色固体，并稍稍用力摩擦。

3.实验现象

①25秒左右钠熔成小球，钠球表面有银白色薄膜，继续加热，钠球表面出现黑色物质，表层的黑色物质翻涌着，被推到钠球边沿。

②钠球边沿首先出现黄色物质。钠球边沿开始出现火焰，从周边开始燃烧，产生大量的烟。内部熔化的钠冲破表面的膜后摊开燃烧，最终生成珊瑚状的淡黄色固体。

③将黄色产物溶解于水后，往其中滴加酚酞溶液，溶液变红。

④用喷湿后的棉签摩擦淡黄色固体，棉签迅速冒烟，烧红，滚动棉签接触新的淡黄色固体，听到“噗”的一声后，棉签燃烧起来。

化学实验探究是推进证据推理深度的重要途径。实验改进是一个循环迭代过程，需基于实验现象，分析推理→改进实验方案→再实验、再思考→得出结论。实验现象是科学证据，也是思考的开始[6]。高中教师要把握好课堂演示实验的契机，将教学目标从初中的“实验与探究”逐步走向“证据推理”。

[参 考 文 献]

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]孙晓春，李莉，雷锦波，等.用传感器测定使带火星木条复燃的氧气浓度极限[J].中学化学教学参考，2016（1）：64-65.

[3]夏建华，宫朋飞.基于翻转课堂的科学探究典型案例研究：以“探究钠燃烧实验中黑色产物的成因”为例[J].化学教学，2015（2）：36-39.

[4]江智永，汪斌权.钠在空气中燃烧实验的再探究[J].化学教学，2016（2）：48-50.

[5]徐泽跃，董国强，吴和平.陶瓷耐热餐具的研制[J].江苏陶瓷，2004（9）：29-32.

[6]陈嫦.基于证据推理素养培养的高中化学课堂研究[J].中小学教学研究，2022（3）：83-88.

（责任编辑：姜显光）