本文发表于《高中数理化》，也是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界——中学化学关键知识解读》中的一篇。该书将于2021年底前出版。1. 钠为什么具有强还原性？ 人们何时想到利用钠的强还原性？钠为什么具有强还原性？学过初中化学的人，可能都会这样回答“因为钠原子最外层电子数少，所以容易失去”。仔细考证起来，这样的回答是有问题的。铜原子最外层也只有1个电子，为什么还原性远不如钠？其实，钠还原性强的根本原因是其原子半径大且核电荷数少，至于失去最外层电子后可形成“8电子稳定结构”，则只是历史上人们总结出的经验，可能依附于目前人们尚未知晓的某内在规律。一般情况下，需要还原剂时，人们首先想到的是价廉易得的铁粉，只有当遇到极难还原的物质时，人们才会想到使用金属钠做还原剂。比如，历史上制得的第一块金属铝，据说就是用钠还原的方法得到的，那时铝的价格甚至高于黄金，以至于一些王公贵族把使用铝制餐具作为荣耀，铝杯也曾经被用作高级别奖励的奖杯。金属钛是二十一世纪的材料新宠，在航空航天、医疗器械、人造骨骼等方面有着广泛的应用，它最初也是利用钠还原法冶炼的：TiCl4 + 4Na高温 4NaCl + Ti。有机合成中，有一些氧化性弱的有机物有时也采取钠还原的办法处理。这时一般把钠溶解在金属汞里制成“钠汞齐”使用。近年来，人们还采用钠蒸气还原CCl4、CO2 的气相沉积法合成金刚石，气相条件下钠原子把碳原子一个一个地还原出来，使之能够整齐地排列以形成金刚石的结构。据文献报道，用该法可以在砂轮等磨具的表面“镀上”一层数个纳米厚的金刚石薄层，大大延长这些磨具的使用寿命，提高劳动效率，降低生产成本。2. 在硫酸铜溶液里，Cu2+ 的浓度应该远大于H+，且根据金属活动顺序表可知Cu2+ 的氧化性比H+ 强，为什么金属钠投入硫酸铜溶液时，先跟水（电离出的H+）作用，而不是置换出铜呢？金属钠非常活泼，无论跟氧化性强的Cu2+ 还是跟氧化性弱的H2O 相遇，都可以迅速发生电子转移。因此可以认为，对于Cu2+和H2O，钠先遇到哪一个，就先跟哪一个发生反应。我们知道，Cu2+ 在水溶液里并不是单独存在的，而是发生了水合 —— 它的周围总有大量水分子包围着，所以Na是不可能直接接触到Cu2+的，因此，钠跟CuSO4溶液的反应必然是：CuSO4+ 2NaOH = Na2SO4 + Cu(OH)2↓顺便提及，有人根据对上述实验的理解，提出“金属钠与盐酸反应时，也是先与水反应，生成的烧碱再跟盐酸中和”。这种说法是否有道理呢？这个问题要从钠跟水反应的本质出发来分析。H2 显然是水中的H+ 从钠原子那里获得电子还原得到的，那么，盐酸溶液里的H+ 主要是HCl 电离产生的还是由H2O 电离产生的呢？答案很明了—— 主要是由HCl电离产生的，所以一般认为上述说法并不正确。但是，沿着上述思路，从微观的角度仔细考证的话，上述说法似乎也不无道理。在盐酸溶液里，钠所到之处，立即跟H+ 作用，它并不管这些H+ 是由酸电离出的还是由水电离出的。这样的话，完全可能发生这样的“情景”——钠周围的水分子不断电离产生出H+ 和OH-，H+ 随即被钠还原为H2，而“剩余的”OH- 不断向周围扩散，并接触酸电离的H+ 与之中和成H2O。说到这里，可能有人要质疑了—— 你的结论到底是什么呢？其实分析到这里，结论已经不是那么重要了，重要的是我们学习化学，要学会从微观的角度，运用动态的观点分析问题。3. 金属钠在空气里燃烧时，为什么生成氧元素化合价不稳定的Na2O2，而非氧的化合价稳定的Na2O？如何理解Na2O2 中氧元素的化合价？从微观的角度审视，离子化合物都是阴离子和阳离子按照一定的规律堆积在一起，彼此间通过静电作用（离子键）结合形成的。由于离子键作用很强，所以常温下离子化合物大都以晶体状态存在。在离子晶体里，由于一般阴离子半径较大而阳离子半径小，可以认为是阴离子先按照一定的规律堆积起来，阳离子则填充到阴离子堆积所形成的空隙里去。对于Li+来说，由于它半径小，故填充入O2-堆积形成的空隙中比较合适，因此，金属Li 在空气里燃烧主要形成Li2O；Na+ 的半径比Li+ 大，因此需要大一些的空隙，“个头”比O2-大的O22- 堆积形成的空隙也许更加合适它，所以金属Na 在空气里燃烧主要形成Na2O2。同理，我们可以接受钾、铷、铯等离子半径更大的元素在空气里燃烧形成“更为复杂”的氧化物（如KO2、RbO3等）。过氧化钠结构有些特别，其中含有过氧根离子O22- 这样一个原子团离子，两个氧原子先共用一对电子，再分别从外界获得一个电子，这样每个氧原子都能满足最外层8电子的稳定结构：
因同种元素原子间共用电子不计化合价（氧化数），故过氧化钠中氧元素的化合价为-1，不是传统的-2价。
值得注意的是，Na2O2 的晶体结构稳定并不意味着Na2O2 的化学性质稳定。因为毕竟氧元素的稳定化合价是 -2，即使0价的氧单质也要比 -1价常见得多。所以一旦外界条件允许，Na2O2就会发生变化。如果遇到还原剂，Na2O2则显示强氧化性，如跟硫酸亚铁溶液反应立即生成红褐色的Fe(OH)3沉淀，跟SO2 反应直接生成Na2SO4 等；如果遇到强的氧化剂，则会被氧化为O2，如KMnO4、K2Cr2O7 等都可以把Na2O2氧化；当遇到氧化性、还原性均不强的CO2、H2O等物质时，则自身发生氧化还原反应（歧化为-2价氧的化合物和O2，具体反应可参考教科书）。由于黄光波长大、穿透雾的能力强，所以早期人们期望借鉴汞灯的原理，在较低压强下使钠挥发为蒸气，通电后激发钠蒸气发出黄光。这就是低压钠灯的来历。低压钠灯工作时，灯内钠的蒸气压只有很低的几个帕，发射的黄光波长集中在589-590 nm，发光效率高，光的单色性好，但显色性差、光强度弱，且所需放电管太长。于是人们想到通过提高灯管内钠蒸气的密度，以增强钠灯的发光强度，这就是高压钠灯。目前大多数高压钠灯的工作蒸气压大于 10个大气压，可以发出金白色光。高压钠灯具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强等优点，目前已广泛应用于道路、广场、体育馆等的照明，也用于航标灯，大有取代高压汞灯的趋势。其实，早在上世纪五十年代科学家就已经解决了钠蒸气的放电发光问题，但由于需要在技术层面制造出高温、高压下抵抗钠蒸气腐蚀的玻璃，所以直到1965年人们才生产出第一支高压钠灯。钠灯也可用于人工洗印照片的暗室，因为单色的黄光不易使相纸曝光。
