應(yīng)用手持技術(shù)探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)

霍愛(ài)新張　瑜　王皖娣

（天津師范大學(xué)教師教育學(xué)院　天津　300387）

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應(yīng)用手持技術(shù)探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)

霍愛(ài)新*張瑜王皖娣

（天津師范大學(xué)教師教育學(xué)院天津300387）

摘要：碳酸鈉和碳酸氫鈉是鈉的兩種重要化合物，兩種化合物的性質(zhì)比較是高中化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)重點(diǎn)。但是應(yīng)用常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，甚至可能失敗的教學(xué)問(wèn)題。通過(guò)溫度傳感器、pH傳感器、二氧化碳傳感器在該實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，更有利于學(xué)生觀(guān)察、比較和記憶。

關(guān)鍵詞：手持技術(shù)；碳酸鈉；碳酸氫鈉

碳酸鈉與碳酸氫鈉的“溶解熱的比較、堿性強(qiáng)弱的比較、與鹽酸反應(yīng)的速率比較和熱穩(wěn)定性的比較”是鈉的化合物的主要教學(xué)內(nèi)容。但是在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，這四組實(shí)驗(yàn)存在以下問(wèn)題：二者溶解存在熱量變化不明顯的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，很難用手感知溫度差異；水溶液都呈堿性，但pH差值不大，用pH試紙測(cè)定，堿性強(qiáng)弱不顯著；觀(guān)察與酸反應(yīng)的速率時(shí)，反應(yīng)較快，通過(guò)觀(guān)察很難判斷氣體放出的快慢；熱分解反應(yīng)放出的二氧化碳用澄清石灰水檢驗(yàn)，效果不明顯。手持技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有數(shù)字和圖形結(jié)合的特點(diǎn)，利用手持技術(shù)對(duì)該部分教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，可以使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀(guān)，更有利于學(xué)生的觀(guān)察、比較和記憶。

一、實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

鹽酸（0.1mol/L）、碳酸鈉（0.1mol/L）、碳酸氫鈉（0.1mol/L）、碳酸鈉和碳酸氫鈉固體、三口燒瓶、量筒、試管、注射器、橡皮塞、膠頭滴管。實(shí)驗(yàn)采用Pasco公司的數(shù)字采集器、datastudio數(shù)據(jù)采集軟件、溫度傳感器、pH傳感器、CO2傳感器。

二、實(shí)驗(yàn)步驟

組裝實(shí)驗(yàn)裝置，將傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及其相對(duì)應(yīng)的軟件相連接。分別做以下四組實(shí)驗(yàn)：

（1）稱(chēng)取1.68g碳酸氫鈉和2.12g碳酸鈉粉末（等物質(zhì)的量），分別溶于10mL水，利用溫度傳感器測(cè)定其溫度變化。

（2）取0.1mol/L的碳酸氫鈉和碳酸鈉溶液各10mL，利用pH傳感器測(cè)定堿性大小。

（3）取0.1mol/L的碳酸氫鈉和碳酸鈉溶液各6mL，分別與10mL0.1mol/L鹽酸反應(yīng)，利用CO2傳感器測(cè)量CO2濃度變化。該實(shí)驗(yàn)用兩個(gè)三口燒瓶作為反應(yīng)容器，一個(gè)盛有碳酸氫鈉溶液，一個(gè)盛有碳酸鈉溶液，每個(gè)三口燒瓶一口連接二氧化碳傳感器，另一口用注射器同時(shí)注入鹽酸。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1　碳酸氫鈉溶液和碳酸鈉溶液與鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖

（4）稱(chēng)取少量碳酸氫鈉和碳酸鈉固體粉末放入試管中加熱，利用CO2傳感器測(cè)量CO2濃度變化。

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.碳酸氫鈉和碳酸鈉溶解過(guò)程溫度變化

圖2　等物質(zhì)的量的碳酸氫鈉和碳酸鈉溶解時(shí)溫度變化情況

在常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，往往是在試管中溶解振蕩后讓學(xué)生用手感知試管底部溫度變化，碳酸鈉溶解放熱溫度略有升高可以感知，但碳酸氫鈉溶解時(shí)吸熱，并且熱量變化較小，用手不易感知到。

從圖2中可以看出碳酸鈉溶解時(shí)的溫度變化是升高的，碳酸氫鈉溶解時(shí)溫度變化是降低的。反應(yīng)開(kāi)始顯示室溫約為22℃，迅速將10mL水加入兩種固體中，振蕩溶解，溫度傳感器實(shí)時(shí)將體系內(nèi)的溫度變化用圖表的形式表示出來(lái)，直觀(guān)的可以看出溶解后碳酸鈉溶液溫度高于初始室溫，而碳酸氫鈉溶液低于室溫。傳感器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，結(jié)合實(shí)時(shí)、直觀(guān)的圖表和數(shù)字進(jìn)行解釋說(shuō)明，可以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀(guān)性和數(shù)字化，學(xué)生更容易理解和記憶。

2.碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液pH大小

圖3　等物質(zhì)量濃度的碳酸氫鈉和碳酸鈉溶液的pH變化情況

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)用酚酞溶液或pH試紙測(cè)定兩者水溶液的酸堿性，酚酞溶液可以通過(guò)溶液的顏色深淺進(jìn)行定性說(shuō)明，但是有時(shí)酚酞量過(guò)多或者溶液濃度不同都會(huì)對(duì)現(xiàn)象有影響，現(xiàn)象不明顯；用pH試紙測(cè)量，由于兩種溶液都呈堿性且pH差值不大，由于pH試紙的精確度不高，數(shù)據(jù)往往并不明顯。

從圖3中可以看出碳酸鈉溶液的堿性高于碳酸氫鈉溶液。利用pH傳感器測(cè)量溶液的pH值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)字化、定量、精確，可以將兩組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)差別更直觀(guān)地表示出來(lái)。手持技術(shù)引進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，可以把原本的定性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量化，并且圖表簡(jiǎn)單容易理解，數(shù)據(jù)直觀(guān)。

3.碳酸鈉和碳酸氫鈉與酸反應(yīng)快慢

圖4　等物質(zhì)量濃度的碳酸氫鈉和碳酸鈉與酸反應(yīng)CO2產(chǎn)生濃度變化情況

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，碳酸氫鈉和碳酸鈉與酸反應(yīng)，由于現(xiàn)象不明顯，很多教師都進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，大多數(shù)都是改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。如在試管內(nèi)反應(yīng)，管口套有氣球的裝置，看氣球膨脹大小比較二者反應(yīng)速率快慢［1］，但是也有教師對(duì)此實(shí)驗(yàn)改進(jìn)提出質(zhì)疑［2］。該實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)是反應(yīng)過(guò)快，操作不當(dāng)容易漏氣或者氣球膨脹效果不明顯。

也有教師用壓力傳感器［3］，進(jìn)行產(chǎn)生氣體的壓力的比較，也很好地說(shuō)明反應(yīng)速率，但是需要驗(yàn)證產(chǎn)生的氣體為CO2，而用CO2傳感器，不需要再驗(yàn)證產(chǎn)生的氣體是CO2。

用CO2傳感器對(duì)體系進(jìn)行測(cè)量，圖4顯示結(jié)果碳酸氫鈉與酸反應(yīng)的過(guò)程中測(cè)量數(shù)值迅速增大，出現(xiàn)曲線(xiàn)的斜率比碳酸鈉與酸反應(yīng)的大。在圖3中，可以清晰看出碳酸氫鈉在反應(yīng)過(guò)程中放出氣體量快于碳酸鈉。碳酸氫鈉曲線(xiàn)斜率較大，CO2濃度增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳酸鈉，反應(yīng)進(jìn)行2分鐘后碳酸氫鈉產(chǎn)生的CO2量基本穩(wěn)定，而碳酸鈉產(chǎn)生的CO2量仍然不斷緩慢增長(zhǎng)?；谒徇^(guò)量情況，最后產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w量應(yīng)該是相同的。利用手持技術(shù)，通過(guò)圖表曲線(xiàn)變化趨勢(shì)可以看出二者明顯的差異性。

4.碳酸氫鈉和碳酸鈉熱穩(wěn)定性

圖5　等質(zhì)量的碳酸氫鈉和碳酸鈉受熱分解產(chǎn)生CO2濃度大小情況

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能直觀(guān)地看到二氧化碳的生成，需要用澄清的石灰水驗(yàn)證，且無(wú)法進(jìn)行直觀(guān)比較。

應(yīng)用手持技術(shù)，實(shí)驗(yàn)中用CO2傳感器直接測(cè)量碳酸氫鈉和碳酸鈉受熱分解情況。圖5明顯可以看出碳酸鈉受熱后一段時(shí)間立即產(chǎn)生CO2，氣體量不斷增加。直觀(guān)表明受熱可發(fā)生化學(xué)變化并證明產(chǎn)生氣體為CO2，而碳酸鈉受熱分解CO2數(shù)值無(wú)變化。運(yùn)用該傳感器的優(yōu)勢(shì)可使學(xué)生們看出反應(yīng)產(chǎn)生CO2變化的具體情況，加深對(duì)二者性質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別，使實(shí)驗(yàn)更加直觀(guān)、具體。

三、實(shí)驗(yàn)小結(jié)

在碳酸氫鈉和碳酸鈉性質(zhì)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，通過(guò)四組實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，使用多種傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。傳感器的數(shù)字化、定量化、圖形化、數(shù)形結(jié)合，使二者的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的比較更直觀(guān)，易于學(xué)生觀(guān)察，促進(jìn)學(xué)生理解。

參考文獻(xiàn)

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［3］曾珍，鮑正榮.利用“手持技術(shù)”比較碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應(yīng)的速率［J］.中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2012，3（22）：11-26

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.03.032

文章編號(hào)：1008-0546（2016）03-0088-02

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

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