基于對比實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的化學(xué)教學(xué)

伍強(qiáng)+黃晶+杜金鈴

摘要：分析了教材中碳酸鈉和碳酸氫鈉相關(guān)的內(nèi)容，認(rèn)為應(yīng)設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)來探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)。分析了相關(guān)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還有創(chuàng)新的空間。指出學(xué)生在學(xué)習(xí)中存在的困惑問題及教師在教學(xué)時(shí)遇到的困擾問題，認(rèn)為教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新必須解決教與學(xué)的問題。通過對比實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生能較好地領(lǐng)悟物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)原理、了解科學(xué)探究方法。通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究和教師創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)演示并進(jìn)的多種實(shí)驗(yàn)探究活動，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

關(guān)鍵詞：碳酸鈉；碳酸氫鈉；對比實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

文章編號：1005–6629（2017）4–0059–05 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

《化學(xué)教學(xué)》期刊設(shè)置了“實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)”的欄目，展示了豐碩的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新成果。但從目前教學(xué)期刊上發(fā)表的“碳酸鈉和碳酸氫鈉”教學(xué)課例來看，將實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新成果融入課堂教學(xué)的現(xiàn)狀并不樂觀。如比較Na2CO3和NaHCO3的熱穩(wěn)定性選用套管實(shí)驗(yàn)，二者與酸反應(yīng)仍用等質(zhì)量的Na2CO3和NaHCO3粉末與稀鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，CO2氣體與Na2CO3溶液反應(yīng)采用CO2氣體通入飽和Na2CO3溶液實(shí)驗(yàn)的剪輯視頻。目前部分教師還存在一種錯(cuò)誤的認(rèn)識，認(rèn)為按照教科書上的實(shí)驗(yàn)方案做了實(shí)驗(yàn)探究，就能很好地完成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)。殊不知教科書編寫的意圖是“要有助于發(fā)揮化學(xué)教師的創(chuàng)造性，應(yīng)留給教師較大的創(chuàng)造空間，使教師在實(shí)踐中充分發(fā)揮教學(xué)的主動性和創(chuàng)造性”[1]。為此，筆者嘗試將實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新成果融入課堂教學(xué)，試圖培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

1 課程標(biāo)準(zhǔn)和教材內(nèi)容分析

課程標(biāo)準(zhǔn)指出：根據(jù)生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用實(shí)例或通過實(shí)驗(yàn)探究，了解鈉等金屬及其重要化合物的主要性質(zhì)[2]。Na2CO3和NaHCO3的性質(zhì)是人教版《化學(xué)1》“科學(xué)探究”的內(nèi)容，就二者的外觀、水溶性、溶解熱效應(yīng)、溶液酸堿性和熱穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，二者與稀鹽酸的反應(yīng)只要求寫出反應(yīng)的離子方程式[3]。人教版強(qiáng)調(diào)對比實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，卻忽視了二者與稀鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究。同樣，蘇教版《化學(xué)1》“活動與探究”的內(nèi)容，對澄清石灰水和CaCl2溶液分別與Na2CO3溶液反應(yīng)、濃鹽酸與Na2CO3溶液反應(yīng)、用pH試紙測定Na2CO3溶液pH和Na2CO3溶液去油污性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，同時(shí)教材提供了Na2CO3和NaHCO3的性質(zhì)比較信息，要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案區(qū)別Na2CO3和NaHCO3的固體[4]。蘇教版強(qiáng)調(diào)Na2CO3性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究，卻忽視了NaHCO3性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究。從兩個(gè)版本的教材內(nèi)容分析，在實(shí)施教學(xué)過程中，應(yīng)增加設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)來探究Na2CO3和NaHCO3的性質(zhì)。

2 相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的分析

2.1 Na2CO3、NaHCO3的固體熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

人教版方案是將Na2CO3和NaHCO3的固體分別裝在兩支試管中，用酒精燈加熱，將可能生成的氣體通入澄清石灰水中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。缺點(diǎn)是分別做兩次實(shí)驗(yàn)，需兩次加熱，實(shí)驗(yàn)加熱環(huán)境不同，因此實(shí)驗(yàn)對比性差。為使實(shí)驗(yàn)對比性強(qiáng)，已有套管實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，且只需一次加熱。但此實(shí)驗(yàn)把不易分解的Na2CO3固體放在溫度較高的外管，把易分解的NaHCO3固體放在溫度較低的內(nèi)管。這是在NaHCO3比Na2CO3容易分解的前提下設(shè)計(jì)的，實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)性太強(qiáng)，缺乏探究性。

2.2 Na2CO3、NaHCO3與稀鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)

人教版全日制普通高級中學(xué)教科書設(shè)計(jì)了Na2CO3和NaHCO3粉末與稀鹽酸反應(yīng)的對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)如下：“在兩支試管中分別加入3mL稀鹽酸，將兩個(gè)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(shí)倒入試管中。[5]”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(shí)上，兩個(gè)反應(yīng)速率大小與如下三個(gè)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(gè)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(gè)影響因素，而對比實(shí)驗(yàn)中只考慮一個(gè)影響因素，因此不符合對比實(shí)驗(yàn)基本要求。現(xiàn)行人教版刪除了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生寫出Na2CO3、NaHCO3與稀鹽酸反應(yīng)的離子方程式。蘇教版設(shè)計(jì)了Na2CO3溶液與濃鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，仍不能解決Na2CO3溶液和稀鹽酸發(fā)生分步反應(yīng)的機(jī)理。

2.3 飽和Na2CO3溶液與CO2氣體反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)

有教師認(rèn)為，向飽和Na2CO3溶液中通入CO2氣體沒有什么好研究的，NaHCO3溶解度比Na2CO3小，通入CO2氣體后很快會析出白色晶體，教材沒有要求做此實(shí)驗(yàn)就不做了。筆者用啟普發(fā)生器快速生成CO2氣體，通入飽和Na2CO3溶液中，20幾分鐘后才有微量晶體析出[6]，做過此實(shí)驗(yàn)的教師都認(rèn)為不適宜作課堂演示實(shí)驗(yàn)。有教師在課堂中演示了如下實(shí)驗(yàn)：用大理石與稀鹽酸反應(yīng)生成的CO2氣體和用雪碧（飲料）產(chǎn)生的CO2氣體，分別通入飽和Na2CO3溶液中，約3min均出現(xiàn)白色沉淀[7]。該教師將CO2氣體通入過飽和Na2CO3溶液中，析出的是碳酸鈉晶體。

從以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析可知，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還有創(chuàng)新的空間。

3 學(xué)生學(xué)習(xí)困惑和教師教學(xué)困擾

3.1 Na2CO3溶液與稀鹽酸分步反應(yīng)

向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸發(fā)生分步反應(yīng)的機(jī)理（Na2CO3+HCl=NaHCO3+NaCl；NaHCO3+HCl=H2O+CO2↑+NaCl）在高考和會考中時(shí)有出現(xiàn)。學(xué)生的困惑：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。教師的困擾：向盛有Na2CO3溶液的試管中滴加稀鹽酸至過量，起初產(chǎn)生少量微小氣泡，隨后產(chǎn)生氣泡似乎增多，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不直觀，不能斷定是否生成了NaHCO3，只能在理論層面上給學(xué)生講述分步反應(yīng)機(jī)理。

3.2 Na2CO3溶液與CO2氣體反應(yīng)

用大理石與稀鹽酸反應(yīng)生成的CO2氣體中含有HCl氣體，教師強(qiáng)調(diào)因CO2氣體會與Na2CO3溶液反應(yīng)生成NaHCO3，則通過飽和NaHCO3溶液洗氣來除去HCl氣體，不能通過Na2CO3溶液洗氣。學(xué)生的困惑：教師沒有做過CO2氣體與Na2CO3溶液反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，只是作了類比推理。教師的困擾：CO2氣體通入飽和Na2CO3溶液實(shí)驗(yàn)不適宜作課堂演示實(shí)驗(yàn)，只能作類比推理。CO2氣體能與CaCO3懸濁液反應(yīng)生成Ca（HCO3）2溶液，則CO2氣體也能與Na2CO3溶液反應(yīng)生成NaHCO3。

學(xué)生在學(xué)習(xí)中存在困惑問題，教師在教學(xué)時(shí)遇到的困擾問題，教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新必須解決教與學(xué)的問題。

4 教學(xué)過程的設(shè)計(jì)

本節(jié)課設(shè)計(jì)了五個(gè)環(huán)節(jié)，一環(huán)扣一環(huán)，有效集中學(xué)生的注意力。

4.1 鈣化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系

[問題] Ca（OH）2微溶于水，澄清石灰水濃度小。向澄清石灰水中不斷通入CO2氣體將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？

[學(xué)生]澄清石灰水變渾濁。

[追問]后來呢？不知道（學(xué)生）。

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)鈣化合物性質(zhì)，構(gòu)建鈣化合物轉(zhuǎn)化關(guān)系，以此類推鈉化合物轉(zhuǎn)化關(guān)系。

4.2 溶解度、溶液酸堿性、熱穩(wěn)定性

4.2.1 溶解度

[講述]固體物質(zhì)在水中的溶解性分易溶（大于10g）、可溶（10～1g）、微溶（1～0.01g）、難溶（小于0.01g），在20℃時(shí)Na2CO3溶解度為21.5g、NaHCO3溶解度為9.6g。

[學(xué)生] Na2CO3屬易溶、NaHCO3屬可溶。

4.2.2 溶液酸堿性

[過渡] Na2CO3屬于鹽類，為什么俗稱純堿？

[學(xué)生] Na2CO3溶液可能呈堿性。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]取兩支試管分別加入少量1mol·L-1 Na2CO3、NaHCO3的溶液，請用pH試紙測定溶液pH，然后滴加酚酞溶液觀察顏色變化。

[實(shí)驗(yàn)結(jié)果] Na2CO3、NaHCO3溶液pH分別為 12和8，滴加酚酞溶液分別呈現(xiàn)紅色和粉紅色。

4.2.3 熱穩(wěn)定性

[過渡] CaCO3高溫分解，Ca（HCO3）2加熱分解，Na2CO3、NaHCO3固體熱穩(wěn)定性如何？

[問題]請同學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，比較Na2CO3、NaHCO3固體的熱穩(wěn)定性。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]取少量NaHCO3固體于試管中，并加熱，將可能產(chǎn)生的氣體通入澄清的石灰水中，以同樣的方法加熱Na2CO3固體實(shí)驗(yàn)。

[實(shí)驗(yàn)結(jié)果] NaHCO3固體易分解。

[演示實(shí)驗(yàn)]展示如圖3所示的油浴法實(shí)驗(yàn)裝置，做簡單的介紹，然后點(diǎn)燃酒精燈加熱約2分鐘，食用油溫度升高至130～140℃時(shí)，右側(cè)的澄清石灰水無明顯現(xiàn)象，左側(cè)的澄清石灰水變渾濁[8]。

[實(shí)驗(yàn)結(jié)果]NaHCO3固體易分解，Na2CO3難分解。

[學(xué)生] 2NaHCO3△=Na2CO3+CO2↑+H2O

設(shè)計(jì)意圖：掌握Na2CO3、NaHCO3溶解性和溶液酸堿性為以下實(shí)驗(yàn)探究奠定基礎(chǔ)。油浴法實(shí)驗(yàn)具有很好的對比性、探究性、直觀性和簡約性，可以粗略地測定NaHCO3分解的溫度，學(xué)生對其熱的不穩(wěn)定性印象深刻。能拓展學(xué)生的知識面，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4.3 與酸反應(yīng)

4.3.1 與稀鹽酸反應(yīng)

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]取兩支試管分別加入少量1mol·L-1 Na2CO3、NaHCO3的溶液，然后分別滴加1mol·L-1 鹽酸。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量，起初產(chǎn)生少量微小氣泡，隨后產(chǎn)生氣泡逐漸增多。向NaHCO3溶液中滴加稀鹽酸，立刻產(chǎn)生大量氣泡。

[教師]請寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式。

[學(xué)生] Na2CO3+2HCl（過量）=2NaCl+H2O+ CO2↑，NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑。

[設(shè)疑]向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量，起初產(chǎn)生少量微小氣泡，隨后產(chǎn)生氣泡逐漸增多，可能還發(fā)生其他反應(yīng)。

[教師]展示如圖4所示的恒壓式實(shí)驗(yàn)裝置[9]，作簡單介紹。

實(shí)驗(yàn)1 向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量

[演示實(shí)驗(yàn)]如圖4裝置。在廣口瓶中加入1mol·L-1 Na2CO3溶液20mL，再滴入幾滴酚酞溶液，在分液漏斗中加入1mol·L-1鹽酸40mL。打開磁力攪拌器，攪拌待反應(yīng)溶液。然后打開分液漏斗活塞，滴入約20mL稀鹽酸，關(guān)閉活塞。溶液由紅色變成粉紅色，反應(yīng)沒有氣泡產(chǎn)生，氣球沒有增大。

[問題]反應(yīng)沒有氣體生成，溶液變成粉紅色，反應(yīng)生成了什么物質(zhì)？

[學(xué)生]生成了NaHCO3。

[師生] Na2CO3+HCl（少量）=NaHCO3+NaCl。

[演示實(shí)驗(yàn)]再次打開分液漏斗活塞，滴入剩余約20mL稀鹽酸。溶液由粉紅色變成無色，反應(yīng)產(chǎn)生氣泡，氣球逐漸增大。

[教師] NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑（已寫出）。

實(shí)驗(yàn)2 向稀鹽酸中滴加Na2CO3溶液至過量

[演示實(shí)驗(yàn)]如圖4裝置。在廣口瓶中加入1mol·L-1鹽酸40mL，再滴入幾滴酚酞。在分液漏斗中加入1mol·L-1 Na2CO3溶液40mL。打開磁力攪拌器，攪拌待反應(yīng)溶液。然后打開分液漏斗活塞，滴入Na2CO3溶液約20mL，關(guān)閉活塞。溶液保持無色，反應(yīng)產(chǎn)生氣泡，氣球逐漸增大。

[教師] Na2CO3+2HCl（過量）=2NaCl+H2O+ CO2↑（已寫出）。

[演示實(shí)驗(yàn)]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)速率很慢。

設(shè)計(jì)意圖：用恒壓式實(shí)驗(yàn)裝置探究Na2CO3溶液與稀鹽酸互滴反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)難點(diǎn)問題。通過實(shí)驗(yàn)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(jī)理，領(lǐng)會化學(xué)反應(yīng)中量變到質(zhì)變的辯證思想，也讓學(xué)生了解某些化學(xué)反應(yīng)的可控性。

4.3.2 飽和Na2CO3溶液與CO2氣體反應(yīng)

[過渡] Na2CO3溶液能與稀鹽酸反應(yīng)，Na2CO3溶液能不能與CO2氣體反應(yīng)呢？

[師生實(shí)驗(yàn)]取盛有CO2氣體的500mL普通礦泉水瓶，注入20mL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分鐘析出較多白色晶體并出現(xiàn)白色渾濁現(xiàn)象[10]。

[問題]白色晶體是什么物質(zhì)？

[學(xué)生] NaHCO3晶體。

[師生] Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3。

[教師]反應(yīng)時(shí)水的量幾乎不變，為什么能析出NaHCO3晶體。

[學(xué)生]NaHCO3溶解度比Na2CO3小。

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)探究，能讓學(xué)生深刻領(lǐng)悟Na2CO3溶液和CO2氣體反應(yīng)的原理，NaHCO3溶解度比Na2CO3溶解度小的物理性質(zhì)。說明：寒冷天氣實(shí)驗(yàn)時(shí)，劇烈振蕩礦泉水瓶1～2分鐘，礦泉水瓶變癟，說明發(fā)生了反應(yīng)，然后用溫水浸泡礦泉水瓶后再振蕩析出晶體；或者放置較長時(shí)間后自然析出晶體。

5.3 師生實(shí)驗(yàn)探究并進(jìn)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力

對同一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究和教師創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)演示并進(jìn)的多種實(shí)驗(yàn)探究活動，會引發(fā)學(xué)生認(rèn)知的沖突，營造問題情境，激發(fā)學(xué)生探究的欲望。用油浴法實(shí)驗(yàn)裝置探究Na2CO3、NaHCO3固體的熱穩(wěn)定性，使學(xué)生感受到設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)具有科學(xué)性、可行性和簡約性。用恒壓式實(shí)驗(yàn)裝置探究Na2CO3溶液與稀鹽酸互滴反應(yīng)，使學(xué)生感受到某些化學(xué)反應(yīng)的可控性。師生實(shí)驗(yàn)探究并進(jìn)，使學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究的過程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強(qiáng)化科學(xué)探究的意識，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

參考文獻(xiàn)：

[1][2]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[S].北京：人民教育出版社，2003：40，11.

[3]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：56～57.

[4]王祖浩主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1（第6版）[M].南京：江蘇教育出版社，2014：50～52.

[5]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.

[6][10]伍強(qiáng).飽和碳酸鈉溶液和二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的研究[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（11）：56～57.

[7]游梅.一個(gè)大膽的猜想贏來的成功[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2014，（7）：37.

[8][11]伍強(qiáng).碳酸鈉和碳酸氫鈉性質(zhì)對比實(shí)驗(yàn)的研究[J].化學(xué)教學(xué)，2015，（12）：48～50.

[9]伍強(qiáng).碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)2016，（8）：64.