碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應(yīng)實驗的創(chuàng)新設(shè)計

伍強 方瑞光

摘要：為探究碳酸鈉溶液與稀鹽酸分步反應(yīng)的機理，設(shè)計了恒壓式實驗裝置。用該實驗裝置探究碳酸鈉溶液與稀鹽酸互滴反應(yīng)的過程，解析了向碳酸鈉溶液中滴加稀鹽酸至過量發(fā)生分步反應(yīng)的實驗教學(xué)難點問題，有助于在教學(xué)中使學(xué)生能更好地領(lǐng)悟相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)原理。

關(guān)鍵詞：碳酸鈉；碳酸氫鈉；互滴反應(yīng)；創(chuàng)新設(shè)計；實驗探究

文章編號：1005–6629（2016）8–0063–03 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

Na2CO3與鹽酸發(fā)生分步反應(yīng)，反應(yīng)先生成NaHCO3，NaHCO3再與鹽酸反應(yīng)生成CO2，實驗探究該分步反應(yīng)的機理一直是教材和教師要解決的難點問題。在實驗教學(xué)中，有兩種實驗探究該分步反應(yīng)機理的方案。第一種方案：設(shè)計Na2CO3和NaHCO3固體與稀鹽酸反應(yīng)的對比實驗，根據(jù)NaHCO3與稀鹽酸反應(yīng)比Na2CO3與稀鹽酸反應(yīng)劇烈的實驗現(xiàn)象，推測Na2CO3與鹽酸發(fā)生分步反應(yīng)。第二種方案：設(shè)計向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量的實驗，根據(jù)反應(yīng)溶液的酸堿性強弱變化和生成CO2氣體等實驗現(xiàn)象，斷定Na2CO3與鹽酸發(fā)生分步反應(yīng)。

人教版全日制普通高級中學(xué)教科書設(shè)計Na2CO3和NaHCO3固體與稀鹽酸反應(yīng)的對比實驗來解決此難點問題。實驗操作如下：“在兩支試管中分別加入3mL稀鹽酸，將兩個各裝0.3g Na2CO3或NaHCO3粉末的小氣球分別套在兩支試管口。將氣球內(nèi)的Na2CO3和NaHCO3同時倒入試管中。[1]”通常觀察到NaHCO3固體與稀鹽酸反應(yīng)速率比Na2CO3固體與稀鹽酸反應(yīng)速率大。事實上，兩個反應(yīng)速率大小與如下三個因素有關(guān)：一是 Na2CO3與鹽酸發(fā)生分步反應(yīng)；二是顆粒大小，無水Na2CO3固體顆粒較大，NaHCO3晶體顆粒較??；三是熱效應(yīng)，Na2CO3固體溶解以及與鹽酸反應(yīng)均是放熱，NaHCO3晶體溶解以及與鹽酸反應(yīng)均是吸熱。兩個反應(yīng)速率大小除了Na2CO3與鹽酸發(fā)生分步反應(yīng)的影響因素外還有兩個影響因素，而對比實驗中只考慮了一個影響因素，因此不符合對比實驗的基本要求[2]。如果稀鹽酸濃度較大，熱效應(yīng)起了明顯作用，還會出現(xiàn)NaHCO3固體與稀鹽酸反應(yīng)速率比Na2CO3固體與稀鹽酸反應(yīng)速率小的實驗現(xiàn)象。

1 實驗設(shè)計的目的和思路

向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量發(fā)生分步反應(yīng)，通常是在試管中進行，實驗現(xiàn)象不直觀，不適宜作課堂演示實驗，因此教師往往忽略此實驗。在教學(xué)中，教師只是在理論層面上給學(xué)生講述分步反應(yīng)的機理，學(xué)生難以理解。學(xué)生受“鹽和酸反應(yīng)生成新鹽和新酸”的定向思維影響，總認(rèn)為向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸就會生成NaCl和CO2氣體。

向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸，由于局部鹽酸濃度過大，在生成NaHCO3時又會生成CO2氣體，因此用磁力攪拌器攪拌反應(yīng)物，使反應(yīng)物充分接觸生成NaHCO3。實驗時產(chǎn)生CO2氣泡，由于微小的氣泡難以觀察且很快消失，因此用氣球收集CO2氣體，根據(jù)氣球大小來判斷生成CO2氣體的多少。Na2CO3溶液和NaHCO3溶液分別使酚酞溶液呈現(xiàn)紅色和粉紅色，因此在Na2CO3溶液中加入酚酞指示劑，滴加稀鹽酸時若溶液呈現(xiàn)粉紅色，又沒有CO2氣體生成，可判斷Na2CO3轉(zhuǎn)化為NaHCO3。

2 實驗儀器及試劑

實驗儀器：60mL分液漏斗（有體積刻度的）、250mL廣口瓶、磁力攪拌器

實驗試劑：1 mol·L-1 Na2CO3溶液、1 mol·L-1鹽酸、酚酞溶液

3 實驗裝置的設(shè)計

設(shè)計的恒壓式實驗裝置如圖1所示。在250mL廣口瓶的橡皮塞中，打三個小孔，中間小孔插入分液漏斗，兩邊兩個小孔分別插入玻璃管，一管與氣球連接，另一管用橡皮管與60mL分液漏斗上口的導(dǎo)管連接，要求裝置氣密性良好。用導(dǎo)管將分液漏斗上口與廣口瓶連通，目的是保持壓強平衡，分液漏斗中液體能順暢流下。反應(yīng)生成氣體，氣球增大。廣口瓶置于磁力攪拌器上，磁力攪拌器用于攪拌反應(yīng)物。

4 實驗操作、現(xiàn)象和結(jié)論

實驗1 向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量

（2）再次打開分液漏斗活塞，滴入剩余約20mL Na2CO3溶液。溶液由無色變成紅色，氣球緩慢變小。Na2CO3溶液與CO2氣體反應(yīng)速度很慢。

說明：Na2CO3溶液和CO2氣體的反應(yīng)是屬于液相和氣相反應(yīng)（CO2氣體溶解度不大），只有當(dāng)劇烈振蕩反應(yīng)容器時溶液和氣體湍流程度大，對流傳質(zhì)速率大，反應(yīng)速度才快，因此現(xiàn)在的實驗條件下反應(yīng)速度很慢。對于Na2CO3溶液和CO2氣體反應(yīng)的實驗，可做如下實驗設(shè)計[6]：用500mL普通的礦泉水瓶收集CO2氣體，注入17～33mL飽和Na2CO3溶液，旋緊瓶蓋，劇烈振蕩礦泉水瓶1～2分鐘，礦泉水瓶變癟，再放置（或振蕩或?qū)⒌V泉水瓶與桌面敲打幾下）1～3分鐘析出較多NaHCO3晶體并出現(xiàn)白色渾濁現(xiàn)象。此實驗與溫度有關(guān)，氣溫若在15℃以上，在較短時間內(nèi)就能產(chǎn)生明顯的實驗現(xiàn)象，非常適合于課堂演示實驗。

5 實驗創(chuàng)新的意義

用恒壓式實驗裝置探究Na2CO3溶液與稀鹽酸互滴反應(yīng)，實驗現(xiàn)象明顯、直觀，解決了向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量發(fā)生分步反應(yīng)的實驗教學(xué)難點問題。通過實驗探究，有助于學(xué)生更好地領(lǐng)悟Na2CO3溶液與稀鹽酸互滴反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)原理，理解Na2CO3與鹽酸分步反應(yīng)的機理，領(lǐng)會化學(xué)反應(yīng)中量變到質(zhì)變的辯證思想，鞏固了Na2CO3溶液和NaHCO3溶液分別使無色酚酞溶液呈現(xiàn)紅色和粉紅色的實驗現(xiàn)象。用一套實驗裝置完成了多個化學(xué)反應(yīng)原理的實驗教學(xué)，達到了一體化設(shè)計的目的。

參考文獻：

[1]人民教育出版社化學(xué)室.全日制普通高級中學(xué)教科書·化學(xué)（必修）（第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2003：32.

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[3]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)1（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：56.

[4]中華人民共和國教育部制訂.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003：40.

[5]中國教育學(xué)會化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會.全國第十二屆化學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新研討會資料匯編[G].廈門：中國教育學(xué)會化學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會，2015：333.

[6]伍強.飽和碳酸鈉溶液和二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)實驗的研究[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（11）：57.