钠及其化合物

切开一块钠，断面银白光亮，但几秒之内就开始变暗——钠与空气中的氧气发生了反应。把钠丢入水中，它会在水面上剧烈翻滚，并发出嘶嘶声，甚至燃烧起橙黄色火焰。这种活泼得让人吃惊的金属，却以“氯化钠”的形式静静躺在你的餐桌上。

从活泼的单质到温和的盐，钠的化合物贯穿了我们日常生活的方方面面：纯碱用于洗涤和制玻璃，小苏打让面团蓬松发酵，烧碱是工业皂化反应的关键原料。

钠的物理性质与存在

钠（Na）是第三周期第ⅠA族的碱金属元素，原子序数为11，在地壳中以化合物形式广泛存在，从未以游离态出现——这正是它极强化学活性的体现。

从外观看，钠是一种银白色金属，质地软如黄油，用小刀就能轻松切开。刚切开的断面有金属光泽，但很快就会因氧化而变暗。

钠的密度比水小，投入水中会漂浮；熔点仅约 $98\ ^\circ\text{C}$，点燃酒精灯就能将其熔化成小球。这两个细节后续会频繁用到。

钠与氧气的反应

钠在空气中的变化并不是一步完成的，而是随条件不同产生两种截然不同的产物。

常温下，钠缓慢氧化，生成白色的氧化钠（$\text{Na}_2\text{O}$）：

$4\text{Na} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{常温}} 2\text{Na}_2\text{O}$

点燃时，钠在氧气中剧烈燃烧，发出黄色火焰，生成淡黄色的过氧化钠（$\text{Na}_2\text{O}_2$）：

$2\text{Na} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} \text{Na}_2\text{O}_2$

这两种氧化物的性质差异相当大：

例题 1

钠在空气中久置，依次发生哪些变化？最终产物是什么？

钠先与 $\text{O}_2$ 反应生成 $\text{Na}_2\text{O}$，$\text{Na}_2\text{O}$ 再与空气中的水蒸气反应生成 ， 继续吸收空气中的 转变为 ，最终在潮湿空气下 潮解成溶液，干燥后析出含结晶水的固体。最终主要产物为 。

钠与水的反应

向盛有水的烧杯中投入一小块钠，立即能观察到几个现象：钠漂在水面上、熔化成小球、四处滑动，并发出嘶嘶声，有时还会燃烧。这些现象背后是一个剧烈的放热反应：

$2\text{Na} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH} + \text{H}_2\uparrow$

用“浮、熔、游、响、红”五个字可以概括实验现象：

钠与盐溶液的反应同样遵循“先和水反应”的原则，而不是直接把金属从盐中置换出来。

例题 2

将钠投入 $\text{CuSO}_4$ 溶液中，预期看到什么现象？写出相关方程式。

钠不会置换出铜，而是优先与水反应：

$2\text{Na} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH} + \text{H}_2\uparrow$

生成的 $\text{NaOH}$ 再与 反应：

过氧化钠的特殊反应

过氧化钠（$\text{Na}_2\text{O}_2$）与水和二氧化碳的反应是高频考点，因为两者都能生成氧气，且过氧化钠在其中同时作氧化剂和还原剂。

与水反应：

$2\text{Na}_2\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{NaOH} + \text{O}_2\uparrow$

与二氧化碳反应：

$2\text{Na}_2\text{O}_2 + 2\text{CO}_2 \rightarrow 2\text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{O}_2$

这两个反应正是呼吸面具的工作原理：使用者呼出的 $\text{CO}_2$ 和水蒸气被 $\text{Na}_2\text{O}_2$ 吸收，同时释放出 $\text{O}_2$ 供呼吸。

例题 3

将足量 $\text{Na}_2\text{O}_2$ 加入含有 $\text{HCl}$ 的溶液中，会发生什么？

氢氧化钠

氢氧化钠（$\text{NaOH}$），俗称“烧碱”或“火碱”，是工业和实验室中最重要的强碱之一。

$\text{NaOH}$ 的保存需密封防潮，原因是它会发生以下两步反应：先潮解，再与 $\text{CO}_2$ 反应生成 $\text{Na}_2\text{CO}_3$，导致变质：

$2\text{NaOH} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O}$

例题 4

某 $\text{NaOH}$ 固体样品在空气中久置后，加水溶解并滴加足量稀盐酸，产生气泡。请判断样品发生了什么变化，并写出产生气泡的方程式。

样品在空气中与 $\text{CO}_2$ 反应，部分 $\text{NaOH}$ 转化为 $\text{Na}_2\text{CO}_3$。加入稀盐酸后，$$ 与 反应生成 气泡：

碳酸钠与碳酸氢钠

碳酸钠（$\text{Na}_2\text{CO}_3$）和碳酸氢钠（$\text{NaHCO}_3$）是钠的两种重要碳酸盐，都与生活密切相关——前者是“纯碱”，后者是“小苏打”。

基本性质对比

与酸反应

$\text{Na}_2\text{CO}_3$ 与稀盐酸反应分两步进行：

$\text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{HCl} \rightarrow \text{NaHCO}_3 + \text{NaCl} \quad \text{（盐酸少量时）}$

$\text{NaHCO}_3 + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow \quad \text{（盐酸足量时）}$

$\text{NaHCO}_3$ 与稀盐酸直接且迅速反应：

$\text{NaHCO}_3 + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$

热分解反应

加热时，$\text{NaHCO}_3$ 容易分解，而 $\text{Na}_2\text{CO}_3$ 不分解。这一性质可以用来区分二者：

$2\text{NaHCO}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$

相互转化

例题 5

向 $\text{Na}_2\text{CO}_3$ 溶液中逐滴加入稀盐酸，开始时没有气泡，一段时间后才产生气泡，请解释这一现象。

加入少量盐酸时，$\text{Na}_2\text{CO}_3$ 先与盐酸反应，生成 $\text{NaHCO}_3$，此时没有气体产生：

$\text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{HCl} \rightarrow \text{NaHCO}_3 + \text{NaCl}$

钠及其化合物的转化关系

掌握钠的各种化合物之间的转化规律，比单独背每个反应要高效得多。下表梳理了主要的转化路径：

例题 6

$\text{Na}_2\text{O}_2$ 与 $\text{CO}_2$ 反应中，$\text{Na}_2\text{O}_2$ 中氧的化合价如何变化？该反应是否为氧化还原反应？

$\text{Na}_2\text{O}_2$ 中氧为 $-1$ 价，反应后生成 $\text{Na}_2\text{CO}_3$（氧为 价）和 （氧为 价）。部分 价的氧被氧化为 价（），部分被还原为 价。因此该反应是氧化还原反应， 既是氧化剂又是还原剂——这种现象称为歧化反应。

练习题

第1题

钠投入水中后，下列描述中不正确的是（　　）

A. 钠会浮在水面上，因为钠的密度小于水
B. 反应后溶液显酸性
C. 钠会熔化成小球，因为反应放热超过钠的熔点
D. 反应产生的气体是氢气

第2题

下列关于 $\text{Na}_2\text{O}_2$ 的说法，正确的是（　　）

A. $\text{Na}_2\text{O}_2$ 是碱性氧化物
B. $\text{Na}_2\text{O}_2$ 与水反应只生成 C. 可用作呼吸面具中的供氧剂 D. 中氧的化合价为

第3题

区分 $\text{Na}_2\text{CO}_3$ 和 $\text{NaHCO}_3$ 固体，最简便的方法是（　　）

A. 加入足量稀盐酸，观察是否有气泡
B. 加热，用湿润的石灰水检验是否有 $\text{CO}_2$ 逸出
C. 溶于水，用 pH 试纸测定酸碱性
D. 观察颜色

第4题

向 $\text{NaOH}$ 溶液中通入足量 $\text{CO}_2$，最终溶液中的主要溶质是（　　）

A. $\text{Na}_2\text{CO}_3$
B. $\text{NaHCO}_3$
C. $\text{Na}_2\text{CO}_3$ 和 的混合物 D. 和 的混合物

第5题（计算题）

将 $2.3\ \text{g}$ 钠投入 $100\ \text{mL}$ 水中，充分反应后，假设溶液体积仍为 $100\ \text{mL}$，求反应后溶液中 $\text{NaOH}$ 的物质的量浓度，以及生成 $\text{H}_2$ 在标准状况下的体积。

第6题（计算题）

将 $7.8\ \text{g}\ \text{Na}_2\text{O}_2$ 固体加入足量水中，充分反应后将溶液配制成 $250\ \text{mL}$。求：

（1）生成 $\text{O}_2$ 在标准状况下的体积；
（2）所得溶液中 $\text{NaOH}$ 的物质的量浓度。

$\text{CuSO}_4 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Cu(OH)}_2\downarrow + \text{Na}_2\text{SO}_4$

观察到：钠在液面上游动，有气泡产生，同时出现蓝色沉淀。

$\text{Na}_2\text{CO}_3 + 2\text{HCl} \rightarrow 2\text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$

待溶液中的 $\text{Na}_2\text{CO}_3$ 全部转化为 $\text{NaHCO}_3$ 后，继续加入盐酸才与 $\text{NaHCO}_3$ 反应，生成 $\text{CO}_2$ 气泡：

$\text{NaHCO}_3 + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$

知识点：过氧化钠的性质

A 选项两者都能与稀盐酸反应产生气泡，无法区分。
C 选项两者溶液都显碱性，pH 试纸不够精确。
D 选项两者均为白色固体，无法区分。

知识点：碳酸钠与碳酸氢钠的热稳定性差异

$\text{NaOH} + \text{CO}_2\text{（足量）} \rightarrow \text{NaHCO}_3$

若 $\text{CO}_2$ 不足，$n(\text{NaOH}) : n(\text{CO}_2) \geq 2$，产物为 $\text{Na}_2\text{CO}_3$。

知识点：NaOH 与 CO₂ 反应产物取决于物质的量之比

反应方程式：

$2\text{Na} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH} + \text{H}_2\uparrow$

由方程式计量关系：

$n(\text{NaOH}) = n(\text{Na}) = 0.1\ \text{mol}$

$n(\text{H}_2) = \frac{1}{2} n(\text{Na}) = 0.05\ \text{mol}$

$\text{NaOH}$ 的物质的量浓度：

$c(\text{NaOH}) = \frac{0.1\ \text{mol}}{0.1\ \text{L}} = 1\ \text{mol/L}$

$\text{H}_2$ 在标准状况（STP）下的体积：

$V(\text{H}_2) = 0.05\ \text{mol} \times 22.4\ \text{L/mol} = 1.12\ \text{L}$

答：反应后溶液中 $\text{NaOH}$ 的物质的量浓度为 $1\ \text{mol/L}$，生成 $\text{H}_2$ 的体积为 $1.12\ \text{L}$。

知识点：钠与水反应的定量计算

反应方程式：

$2\text{Na}_2\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{NaOH} + \text{O}_2\uparrow$

（1）由方程式计量关系：

$n(\text{O}_2) = \frac{1}{2} \times n(\text{Na}_2\text{O}_2) = \frac{1}{2} \times 0.1\ \text{mol} = 0.05\ \text{mol}$

$V(\text{O}_2) = 0.05\ \text{mol} \times 22.4\ \text{L/mol} = 1.12\ \text{L}$

（2）生成 $\text{NaOH}$ 的物质的量：

$n(\text{NaOH}) = 2 \times n(\text{Na}_2\text{O}_2) = 2 \times 0.1\ \text{mol} = 0.2\ \text{mol}$

溶液体积为 $250\ \text{mL} = 0.25\ \text{L}$，

$c(\text{NaOH}) = \frac{0.2\ \text{mol}}{0.25\ \text{L}} = 0.8\ \text{mol/L}$

答：生成 $\text{O}_2$ 的体积为 $1.12\ \text{L}$；所得溶液中 $\text{NaOH}$ 的物质的量浓度为 $0.8\ \text{mol/L}$。

知识点：过氧化钠与水反应的定量计算