钠及其化合物：把“活泼”变成可推理的反应网

厨房里有两包白色粉末：一包叫纯碱，一包叫小苏打；实验台上还有一小块保存在煤油中的银白色金属。它们看起来并不相像，却能沿着一条清晰的路线连起来：

$$\mathrm{Na}\longrightarrow\mathrm{NaOH}\longrightarrow\mathrm{Na_2CO_3}\rightleftarrows\mathrm{NaHCO_3}$$

旁边还有一个很特别的分支：淡黄色的 $\mathrm{Na_2O_2}$ 能把呼出气中的 $\mathrm{CO_2}$ 和水蒸气转化，同时放出 $\mathrm{O_2}$。这一章不靠零散背结论，而是反复追问：

先从钠原子的一颗电子说起

钠位于第三周期第ⅠA族，最外层只有 1 个电子。失去这 1 个电子后，钠离子具有与氖原子相同的核外电子排布。因此，在反应中钠很容易被氧化成 $\mathrm{Na^+}$，表现出很强的还原性。

这句话怎样落到现象上？把新切开的钠放在空气中，银白表面会很快失去光泽；若空气潮湿，后续还能看到表面逐渐潮湿，最终出现白色粉末。并不是钠“一步到位”变成碳酸钠。下面的反应可用来简化理解这条变化链：先与氧气生成氧化物，氧化物遇水蒸气形成碱，碱再吸收二氧化碳。真实的表面产物可能同时存在；在潮湿条件下，碳酸钠还可能以含结晶水的形式出现。

$$\begin{aligned} 4\mathrm{Na}+\mathrm{O_2}&\rightarrow2\mathrm{Na_2O}\\ \mathrm{Na_2O}+\mathrm{H_2O}&\rightarrow2\mathrm{NaOH}\\ 2\mathrm{NaOH}+\mathrm{CO_2}&\rightarrow\mathrm{Na_2CO_3}+\mathrm{H_2O} \end{aligned}$$

所以钠为什么保存在煤油中？不是煤油“养护金属”，而是让钠与空气、水蒸气隔开；同时钠的密度比煤油大，能沉在煤油底部。切开钠时，表面的煤油要用滤纸吸干，目的是避免煤油干扰观察。

钠遇水：把五个现象串成一条因果链

设想烧杯中有水和酚酞溶液。投入绿豆粒大小的钠后，常能观察到“浮、熔、游、响、红”：钠先浮在水面，熔成小球后四处游动；反应过程伴有嘶嘶声；水溶液逐渐变红。

别把这五个字当作必须死记的顺口溜。逐个追问就能得到答案：钠为什么浮？因为密度比水小；为什么熔？反应放热，而钠熔点较低；为什么游？氢气从小球周围逸出，推动它移动；为什么红？产物 $\mathrm{NaOH}$ 使溶液显碱性，酚酞变红。总反应是：

$$2\mathrm{Na}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow2\mathrm{NaOH}+\mathrm{H_2}\uparrow$$

现在用交互把“看见什么”与“为什么”逐项连起来。先完成自己的判断，再回到方程式检查每个现象是否都有依据。

例题 1 将 $0.46\ \mathrm{g}$ 钠投入足量水中，反应后配成 $200\ \mathrm{mL}$ 溶液。求生成氢气的物质的量，以及 $\mathrm{NaOH}$ 的物质的量浓度。

两种氧化物：为什么一个遇水只得碱，另一个还会放氧气？

钠在空气中缓慢氧化主要形成白色的氧化钠 $\mathrm{Na_2O}$；加热或燃烧时则主要生成淡黄色的过氧化钠 $\mathrm{Na_2O_2}$。两者名字只差一个“过”，性质却不能混为一谈。

氧化钠：典型的碱性氧化物

$\mathrm{Na_2O}$ 中氧为 $-2$ 价，和水反应只生成碱：

$$\mathrm{Na_2O}+\mathrm{H_2O}\rightarrow2\mathrm{NaOH}$$

它也能与酸性氧化物 $\mathrm{CO_2}$ 反应：

$$\mathrm{Na_2O}+\mathrm{CO_2}\rightarrow\mathrm{Na_2CO_3}$$

这很像把碱的来源“提前装进”了氧化物中：遇水先变成碱，再继续参与反应。

过氧化钠：过氧键让氧有了两条去路

$\mathrm{Na_2O_2}$ 是淡黄色固体，其中氧的化合价为 $-1$。它与水、二氧化碳反应都放出氧气：

$$\begin{aligned} 2\mathrm{Na_2O_2}+2\mathrm{H_2O}&\rightarrow4\mathrm{NaOH}+\mathrm{O_2}\uparrow\\ 2\mathrm{Na_2O_2}+2\mathrm{CO_2}&\rightarrow2\mathrm{Na_2CO_3}+\mathrm{O_2}\uparrow \end{aligned}$$

这里最值得停一下。过氧化钠中氧原来是 $-1$ 价；其中一部分氧被氧化为 $\mathrm{O_2}$ 中的 0 价，另一部分氧被还原为 $-2$ 价，因此发生了歧化。水和二氧化碳中原有的氧本来就是 $-2$ 价、在反应中不改变价态；只看总方程式，不能逐个判定最终产物里的每一个氧原子究竟来自哪种反应物。别只记“会供氧”，要先把化合价变化与原子来源这两个问题分开。

$\mathrm{Na_2O_2}$ 与盐酸反应时也会放氧气：

$$2\mathrm{Na_2O_2}+4\mathrm{HCl}\rightarrow4\mathrm{NaCl}+2\mathrm{H_2O}+\mathrm{O_2}\uparrow$$

因此它不属于碱性氧化物；碱性氧化物与酸反应的产物应只有盐和水，而这里还有氧气。它能同时处理呼出气中的二氧化碳和水蒸气并补充氧气，因而可用作呼吸面具、潜水艇等密闭环境中的供氧剂。

把 $\mathrm{Na_2O_2}$ 的计量关系亲手拨一遍：无论反应物是水还是二氧化碳，$1\ \mathrm{mol}$ $\mathrm{Na_2O_2}$ 对应 。注意水模式与二氧化碳模式的另一种产物不同。

例题 2 $7.8\ \mathrm{g}$ $\mathrm{Na_2O_2}$ 与足量水反应，生成氧气的物质的量是多少？同时生成多少 $\mathrm{NaOH}$？

先算 $n(\mathrm{Na_2O_2})=7.8/78=0.10\ \mathrm{mol}$。由方程式的 $2:1:4$，得到 ，。最常见的失误是把 与 误看成 ；看到方程式前的 2，先把比例读完整再代数值。

纯碱和小苏打：阴离子不同，性质怎样变化？

把 $\mathrm{Na_2CO_3}$ 和 $\mathrm{NaHCO_3}$ 摆在一起，它们都是白色固体，也都能使溶液显碱性。可是前者俗称纯碱或苏打，后者俗称小苏打；一个适合制玻璃、洗涤剂等，一个能用于发酵粉。核心差别不在钠离子，而在阴离子是 $$ 还是 。

为什么两个盐溶液都呈碱性？它们的阴离子都能与水发生水解，生成少量 $\mathrm{OH^-}$；在同温、相同物质的量浓度下，碳酸钠溶液碱性更强。比较时必须控制这些条件；不能把任意两杯不同浓度的溶液直接比较。这里的“纯碱”是俗名，不代表它属于碱；它本质上仍是盐。

热稳定性：发酵粉为什么选择小苏打

加热 $\mathrm{NaHCO_3}$，会得到碳酸钠、水和二氧化碳：

$$2\mathrm{NaHCO_3}\xrightarrow{\Delta}\mathrm{Na_2CO_3}+\mathrm{H_2O}+\mathrm{CO_2}\uparrow$$

生成的二氧化碳在面团中形成气孔，这就是小苏打能使食品蓬松的化学基础。反过来问：能不能用同样方法让碳酸钠分解？高中阶段把 $\mathrm{Na_2CO_3}$ 视为受热稳定即可，因此可利用受热是否产生 $\mathrm{CO_2}$ 鉴别两种固体。

规范的鉴别思路是：分别加热两份少量固体，把逸出气体先通入无水硫酸铜，再通入澄清石灰水。若无水硫酸铜由白变蓝、石灰水变浑浊，说明受热时同时有水和二氧化碳生成，原固体为 $\mathrm{NaHCO_3}$。加热试管口略向下倾斜，防止冷凝水倒流引起试管破裂；末端检验试管保持与大气相通。实验结束先将导管移出石灰水，再停止加热，防止倒吸。

加酸：气泡为什么有时“迟到”

两种盐与足量盐酸都放出 $\mathrm{CO_2}$：

$$\begin{aligned} \mathrm{Na_2CO_3}+2\mathrm{HCl}&\rightarrow2\mathrm{NaCl}+\mathrm{H_2O}+\mathrm{CO_2}\uparrow\\ \mathrm{NaHCO_3}+\mathrm{HCl}&\rightarrow\mathrm{NaCl}+\mathrm{H_2O}+\mathrm{CO_2}\uparrow \end{aligned}$$

可是向碳酸钠溶液中逐滴加稀盐酸时，刚开始未必马上冒泡。原因是 $\mathrm{CO_3^{2-}}$ 先接受 1 个 $\mathrm{H^+}$，变成 $\mathrm{HCO_3^-}$；继续加酸才生成 。所以要判断“什么时候开始放气”，不能只背总方程式，要先画出分两步走的离子变化：

$$\mathrm{CO_3^{2-}}+\mathrm{H^+}\rightarrow\mathrm{HCO_3^-},\qquad \mathrm{HCO_3^-}+\mathrm{H^+}\rightarrow\mathrm{CO_2}\uparrow+\mathrm{H_2O}$$

下面的决策台把“加热鉴别”和“向 $\mathrm{NaOH}$ 通入 $\mathrm{CO_2}$”放到同一条推理线上。操作前先预测：酸式盐为什么能被 $\mathrm{OH^-}$ 推回正盐？

“少量”和“过量”：不是口号，而是物质的量之比

向 $\mathrm{NaOH}$ 溶液通入 $\mathrm{CO_2}$ 时，先有：

$$2\mathrm{NaOH}+\mathrm{CO_2}\rightarrow\mathrm{Na_2CO_3}+\mathrm{H_2O}$$

若 $\mathrm{CO_2}$ 继续通入，碳酸钠会进一步转成碳酸氢钠：

$$\mathrm{Na_2CO_3}+\mathrm{CO_2}+\mathrm{H_2O}\rightarrow2\mathrm{NaHCO_3}$$

合起来看，$\mathrm{CO_2}$ 过量时终态可写为：

$$\mathrm{NaOH}+\mathrm{CO_2}\rightarrow\mathrm{NaHCO_3}$$

“少量 $\mathrm{CO_2}$”的本质是 $\mathrm{NaOH}$ 过量，通常 $n(\mathrm{NaOH}):n(\mathrm{CO_2})\ge2$，优先得到碳酸钠；当 过量，最终得到碳酸氢钠。中间比例的题目可能出现两种盐共存，不能用“少量/过量”四个字代替计算。

例题 3 向含 $0.30\ \mathrm{mol}$ $\mathrm{NaOH}$ 的溶液通入 $0.20\ \mathrm{mol}$ $\mathrm{CO_2}$，忽略体积变化，最终主要溶质是什么？

假设全部碳都以碳酸钠存在，则需消耗 $0.40\ \mathrm{mol}$ $\mathrm{NaOH}$，但实际只有 $0.30\ \mathrm{mol}$，说明碱不够，必有一部分碳酸钠继续转为碳酸氢钠。设最终有 $x\ \mathrm{mol}$ $\mathrm{Na_2CO_3}$、 ，由钠守恒 ，由碳守恒 ，解得 。答案不是“只含小苏打”，而是两种盐各 。

把反应网收拢：转化题怎样不迷路

遇到钠及其化合物的转化题，可按三个问题走。

1. 先看对象：是钠单质、氧化物、碱，还是碳酸盐？不同类别决定第一反应方向。
2. 再看条件：水、氧气、二氧化碳、酸、碱和加热，分别像不同的“路口标志”。
3. 最后看量：$\mathrm{CO_2}$、$\mathrm{HCl}$、$\mathrm{NaOH}$ 写了少量或过量时，必须落到物质的量关系。

自测：先作答，再打开解析

1

下列关于过氧化钠的说法正确的是？

A.与水反应只生成 NaOHB.其中氧元素化合价为 -2C.与 CO₂ 反应可放出 O₂D.属于碱性氧化物

2

鉴别两份白色固体 Na₂CO₃ 和 NaHCO₃，最简便且现象明显的方法是？

A.分别加入足量稀盐酸B.分别加热并检验逸出气体C.分别观察颜色D.分别滴加酚酞

3

向 Na₂CO₃ 溶液中滴加少量盐酸，一定立即有气泡产生。

正确错误