連青陽 葉永謙 張賢金 嚴(yán)業(yè)安

摘要： 針對鈉與高錳酸鉀溶液反應(yīng)顏色變化的原因解釋可能存在的問題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究鈉、氫氣、氫氧化鈉等物質(zhì)及溫度、濃度等外在因素對溶液顏色變化的影響，發(fā)現(xiàn)溶液顏色變化的原因主要與溶液中的氫氧化鈉含量及反應(yīng)溫度有關(guān)。認(rèn)為鈉并未與溶液中的高錳酸根離子直接反應(yīng)，不宜將高錳酸鉀溶液的變色作為證據(jù)證明鈉與硝酸鹽溶液反應(yīng)后存在還原性離子。使用二分法探究氫氧化鈉含量對高錳酸鉀溶液顏色變化的影響，得出溶液顏色變綠的含量界限，印證錳酸根離子只有在強(qiáng)堿性溶液中才能穩(wěn)定存在的結(jié)論。

關(guān)鍵詞： 鈉; 高錳酸鉀溶液; 反應(yīng)液顏色變化; 反應(yīng)機(jī)理探究

文章編號： 10056629（2022）07006603

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

關(guān)于鈉與鹽溶液反應(yīng)的探究，李明等老師在“鈉與鹽溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究”一文中，深入探究了鈉與高錳酸鉀、硝酸鹽等鹽溶液的反應(yīng)。通過將鈉投入高錳酸鉀溶液反應(yīng)，溶液顏色變?yōu)闇\綠色，將其作為鈉可與高錳酸鉀溶液反應(yīng)得到錳酸鉀的證據(jù)。使用高錳酸鉀溶液檢驗(yàn)鈉與硝酸鹽溶液反應(yīng)的產(chǎn)物，通過觀察到溶液變?yōu)闇\綠色，將其作為鈉可與硝酸鹽溶液反應(yīng)、產(chǎn)物中有還原性離子的證據(jù)[1]。羅瑪老師認(rèn)為，識別、篩選證據(jù)，應(yīng)用、評價(jià)證據(jù)是科學(xué)探究和科學(xué)實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)[2];“證據(jù)”是可獲得的事實(shí)與信息，既有本身的固有屬性，也存在變化發(fā)展的潛在可能，因此證據(jù)具有復(fù)雜性的特點(diǎn)[3]。上述探究將高錳酸鉀溶液顏色變?yōu)闇\綠色作為證據(jù)，推理出鈉能與高錳酸鉀溶液、硝酸鹽溶液直接反應(yīng)的結(jié)論。但高錳酸鉀在堿性條件下也具有氧化性[4]，其褪色是否與堿性條件有關(guān)？如果與堿性條件有關(guān)，那么金屬鈉是否與溶液中的高錳酸鉀直接反應(yīng)的問題就值得再深入探討了。

2 鈉與高錳酸鉀溶液反應(yīng)的再探究

關(guān)于鈉與鹽溶液反應(yīng)過程，通常認(rèn)為是鈉先與水反應(yīng)生成氫氧化鈉，氫氧化鈉再與溶液中的鹽發(fā)生反應(yīng)。但當(dāng)鈉與固態(tài)粉末狀的鹽反應(yīng)時(shí)，可能出現(xiàn)鈉與鹽直接反應(yīng)的情況。比如將鈉放在石棉網(wǎng)上，使用無水硫酸銅粉末將其覆蓋，加熱后生成暗紅色帶有金屬光澤的單質(zhì)銅，說明鈉與硫酸銅直接反應(yīng)了。將鈉投入高錳酸鉀溶液中，鈉接觸到更多的是溶液中的水分子，要與溶液中的高錳酸根離子直接反應(yīng)并使其褪色似乎難以實(shí)現(xiàn)。如果不是鈉將溶液中的高錳酸根離子直接還原，那導(dǎo)致溶液變?yōu)闇\綠色的物質(zhì)只剩下鈉與水反應(yīng)生成的氫氣和氫氧化鈉了。

2.1 探究氫氣對高錳酸鉀溶液變色的影響

要探究鈉與高錳酸鉀溶液中的水反應(yīng)生成的氫氣是否能使該溶液褪色，首先要收集到氫氣。但鈉與水反應(yīng)太劇烈，必須控制反應(yīng)速率。李明老師采用紗布包裹鈉塊間歇性與水接觸的辦法進(jìn)行控制[5]，但無法觀察到鈉塊的變化。本實(shí)驗(yàn)使用502膠水對鈉球表面進(jìn)行處理，通過控制鈉與水的接觸面積，可以達(dá)到較好效果[6]。具體處理方法如下： 將鈉球切成邊長為10mm的立方體，浸泡在502膠水中（膠水可以倒在礦泉水瓶蓋中）。一小段時(shí)間后取出，在空氣中晾干，此時(shí)鈉塊表面形成一層透明的502膠皮。用針頭在膠皮上挖一小孔讓金屬鈉露出來，金屬鈉通過該小孔與水反應(yīng)，可觀察到有連續(xù)的氫氣氣泡從小孔冒出。

實(shí)驗(yàn)開始后，往廣口瓶中加入高錳酸鉀溶液至靠近瓶口處，將502膠水處理后的鈉塊投入該溶液中，立即塞上單孔橡皮塞，使用玻璃導(dǎo)管將產(chǎn)生的氫氣通入盛放高錳酸鉀溶液的燒杯中。鈉與廣口瓶中的高錳酸鉀溶液接觸后反應(yīng)，挖孔處不斷冒出氣泡，生成的氫氣連續(xù)通入燒杯中的高錳酸鉀溶液并無褪色現(xiàn)象發(fā)生，反而是廣口瓶中的高錳酸鉀溶液顏色逐漸變?yōu)闇\綠色（見圖1）。

上述實(shí)驗(yàn)中，氫氣無法使高錳酸鉀溶液褪色，說明氫氣不是導(dǎo)致鈉與高錳酸鉀溶液接觸后溶液褪色的原因。廣口瓶中的溶液由紫紅色變?yōu)闇\綠色，說明有兩種可能： 一是鈉直接與高錳酸根離子反應(yīng)導(dǎo)致其變色;二是反應(yīng)產(chǎn)物氫氧化鈉的生成導(dǎo)致其變色。如果能證實(shí)氫氧化鈉可使高錳酸鉀溶液變色，則鈉能直接與溶液中高錳酸根離子反應(yīng)的說法就值得商榷了。

2.2 探究氫氧化鈉對高錳酸鉀溶液變色的影響

重復(fù)李明等老師的實(shí)驗(yàn)，將綠豆大小的鈉塊投入濃度較小的高錳酸鉀溶液中[7]，發(fā)現(xiàn)紫紅色變?yōu)闊o色，并未出現(xiàn)淺綠色，但顏色有變化是共同的事實(shí)。為了探究產(chǎn)物氫氧化鈉對溶液顏色變化的影響，先讓綠豆大小的鈉塊與水反應(yīng)，待鈉塊完全消失，再滴入高錳酸鉀溶液，玻璃棒攪拌后，紫紅色褪去。

上述往金屬鈉完全消失后的溶液中滴入高錳酸鉀，紫紅色仍然褪去，說明氫氧化鈉的生成確實(shí)影響了高錳酸鉀溶液的顏色變化。北京師范大學(xué)等校無機(jī)化學(xué)教研室編寫的《無機(jī)化學(xué)》（下冊，第四版）明確指出，在堿性溶液中，高錳酸根離子可以分解為錳酸根離子和氧氣，反應(yīng)的化學(xué)方程式如下： 4KMnO4+4KOH

4K2MnO4+O2↑+2H2O[8]。本實(shí)驗(yàn)通過改變高錳酸鉀加入的順序，獲得了氫氧化鈉可以影響高錳酸鉀溶液顏色變化的證據(jù)，說明李明等老師關(guān)于鈉可與溶液中的高錳酸根離子直接反應(yīng)的結(jié)論，以及使用高錳酸鉀溶液可驗(yàn)證鈉與硝酸鹽反應(yīng)后溶液中存在還原性離子的說法[9]，還需要繼續(xù)探討。

2.3 探究溫度對高錳酸鉀溶液變色的影響

以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用相同濃度的高錳酸鉀溶液與綠豆大小的鈉塊反應(yīng)，502膠水處理的鈉塊反應(yīng)后溶液呈淺綠色，表面無處理的鈉塊反應(yīng)后溶液幾乎無色。在濃度相同的條件下，影響高錳酸鉀溶液變色的因素還有什么？李明等老師認(rèn)為與反應(yīng)的劇烈程度有關(guān)，反應(yīng)越劇烈就越容易出現(xiàn)淺綠色[10]。上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的差別在于是否用502膠水處理鈉塊表面，502膠水處理后的鈉塊反應(yīng)放出的熱量更不易散失，使鈉塊溫度可以迅速升高熔化，最后導(dǎo)致溶液變?yōu)闇\綠色。為了探究溫度對反應(yīng)后溶液顏色的影響，取濃度相同的三杯高錳酸鉀溶液，第一杯作為對照，第二杯加入502膠水處理后挖小孔的綠豆大小鈉塊，第三杯直接加入綠豆大小的鈉塊。反應(yīng)開始后，第二杯鈉塊挖孔處不斷冒出氣泡，一段時(shí)間后鈉塊熔成銀白色的小球，瞬間火星四射，溶液最后變?yōu)闇\綠色。第三杯溶液中的鈉塊表面始終覆蓋著一層白色固體，并未出現(xiàn)劇烈的燃燒現(xiàn)象，溶液最終變?yōu)闇\紫色。通過對照實(shí)驗(yàn)，獲得顏色變化的直觀證據(jù)，說明溶液是否變?yōu)闇\綠色還與反應(yīng)的溫度有關(guān)，即4KMnO4+4KOH

4K2MnO4+O2↑+2H2O的反應(yīng)限度隨著溫度的升高而增大。

3 探究使高錳酸鉀溶液變綠色的氫氧化鈉含量界限

上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是氫氧化鈉的存在可以使高錳酸鉀溶液顏色發(fā)生變化，但變化的結(jié)果出現(xiàn)了淺紫色、幾乎無色或淺綠色等情況。由于溶液中高錳酸根離子呈紫紅色而錳酸根離子呈綠色，溶液顏色的變化與二者濃度的大小有關(guān);氫氧化鈉的加入可與高錳酸根離子反應(yīng)，引起其濃度下降而錳酸根離子濃度升高，最終導(dǎo)致溶液由紫紅色變?yōu)榫G色。李明等老師往少量高錳酸鉀溶液中多次加入芝麻大小的鈉粒，發(fā)現(xiàn)隨著鈉粒的不斷加入，溶液逐漸由紫紅色變?yōu)樯罹G色[11]，印證了以上推理。那么，使高錳酸鉀溶液變綠色的氫氧化鈉含量界限是多少？通過二分法設(shè)計(jì)定量實(shí)驗(yàn)可以解決該問題。具體步驟如下： 首先，按照控制變量法的要求配制1000mL 0.001mol·L-1高錳酸鉀溶液，平均分成10份倒入燒杯中（每份100mL）。由于該實(shí)驗(yàn)是試探性的，試探次數(shù)需要足夠多才能找到顏色變化界限，因此相同濃度的溶液配制了10份。然后，準(zhǔn)備不同物質(zhì)的量的氫氧化鈉固體加入其中溶解觀察顏色變化進(jìn)行試探。試探時(shí)先準(zhǔn)確稱取0.10mol、 1.00mol氫氧化鈉兩份固體分別加入兩份高錳酸鉀溶液中，發(fā)現(xiàn)1.00mol可以使溶液變?yōu)樯罹G色而0.10mol不能;以0.10mol和1.00mol為邊界，采用二分法取其近似中間量0.50mol進(jìn)行試探，發(fā)現(xiàn)可以使溶液變綠色;再以0.10mol和0.50mol為邊界，取其中間量0.30mol進(jìn)行試探，發(fā)現(xiàn)不能使溶液變綠色。此時(shí)，不能變綠色的邊界是0.30mol，能變綠色的邊界是0.50mol，再取二者中間量0.40mol進(jìn)行試探，發(fā)現(xiàn)溶液不能變綠色;再以0.40mol和0.50mol的中間量0.45mol進(jìn)行試探，溶液變綠色。最終得出對于所述100mL 0.001mol·L-1高錳酸鉀溶液，能使其顏色剛好變?yōu)榫G色的氫氧化鈉固體物質(zhì)的量為0.45mol。這個(gè)結(jié)論與《無機(jī)化學(xué)》中“錳酸鉀只有在pH>14.4的強(qiáng)堿性條件下才能穩(wěn)定存在”的表述基本吻合[12]。

4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

影響鈉與高錳酸鉀溶液反應(yīng)顏色變化的因素主要有兩個(gè)： 一是溶液中氫氧化鈉的含量，二是反應(yīng)溫度。鈉未與溶液中的高錳酸根離子直接反應(yīng)，高錳酸根離子與氫氧化鈉反應(yīng)生成錳酸根離子是導(dǎo)致溶液變綠色的主要原因。因而不宜將高錳酸鉀溶液的變色作為證據(jù)，用于證明鈉與硝酸鹽溶液反應(yīng)后存在還原性離子。

在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的課程目標(biāo)中，“學(xué)會收集各種證據(jù)，對物質(zhì)的性質(zhì)及其變化提出可能的假設(shè);基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，證實(shí)或證偽假設(shè);能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，確定形成科學(xué)結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑”是對發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要要求[13]。以上探究基于鈉與高錳酸鉀溶液反應(yīng)顏色變化的原因問題，從化學(xué)反應(yīng)原理的角度提出可能影響顏色變化的物質(zhì)有鈉、氫氣、氫氧化鈉等;從外界因素的角度提出可能影響的因素有溫度、濃度等。通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究不同物質(zhì)及外界條件對溶液顏色變化的影響，特別是往鈉與水完全反應(yīng)后的溶液中再滴入高錳酸鉀溶液的實(shí)驗(yàn)，獲得了即便沒有金屬鈉，溶液也會變色的重要證據(jù);鈉并未與稀溶液中的高錳酸根離子直接反應(yīng)，鈉與水反應(yīng)生成的氫氧化鈉才是導(dǎo)致溶液變綠色的主要原因，探究過程有利于培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識及獨(dú)立思考、敢于質(zhì)疑的品格[14]。實(shí)驗(yàn)中巧用502膠水控制金屬鈉與水接觸的表面積，與表面未處理的相同大小的鈉塊，分別投入相同濃度的高錳酸鉀溶液中，得出溫度高有利于溶液變?yōu)榫G色的結(jié)論，對照方案和鈉表面處理的設(shè)計(jì)有利于培養(yǎng)學(xué)生勤于實(shí)踐、勇于創(chuàng)新的精神。使用二分法探究氫氧化鈉含量對高錳酸鉀溶液顏色變化的影響，得出使溶液顏色變綠的界限，實(shí)驗(yàn)過程有利于引導(dǎo)學(xué)生主動建構(gòu)“定量”概念，形成定量研究的科學(xué)思維和習(xí)慣[15]，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，從而提高化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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