“二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)”的數(shù)字化實驗設(shè)計

周文榮

摘要：以初中化學(xué)“二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)”為例，分析對該實驗的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，從四個不同視角設(shè)計數(shù)字技術(shù)用于二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)的實驗。在此基礎(chǔ)上，從證據(jù)意識、學(xué)科本質(zhì)、技術(shù)運用、信息素養(yǎng)四個維度作思考，旨在樹立探究無明顯現(xiàn)象反應(yīng)發(fā)生的證據(jù)意識，加深對學(xué)科本質(zhì)的理解，促進數(shù)字技術(shù)運用，提升化學(xué)信息素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：二氧化碳；氫氧化鈉；無明顯現(xiàn)象反應(yīng)；數(shù)字化技術(shù)；實驗設(shè)計

文章編號：1005–6629（2017）10–0058–06 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

觀察是化學(xué)學(xué)習(xí)的重要方法[1]。對于有明顯現(xiàn)象的反應(yīng)，可以通過觀察獲得直接的證據(jù)，例如對物質(zhì)的狀態(tài)與顏色的變化、發(fā)光、發(fā)熱、形成煙霧、放出氣體、生成沉淀等進行分析、推理和歸納等。然而，有些化學(xué)反應(yīng)沒有明顯的現(xiàn)象，一些教師便輕描淡寫一帶而過，取而代之的是大量機械訓(xùn)練，缺失了讓學(xué)生自主探究、自主體驗的機會，阻礙了學(xué)生學(xué)科能力、學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展。如何探究沒有明顯現(xiàn)象的反應(yīng)發(fā)生過程，關(guān)鍵在于實現(xiàn)從“無”到“有”的轉(zhuǎn)化。通過改變視角，設(shè)計實驗產(chǎn)生明顯現(xiàn)象，收集間接證據(jù)從而來證明。筆者著重以CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O反應(yīng)為例，思考“探究無明顯現(xiàn)象的反應(yīng)發(fā)生”的數(shù)字化實驗設(shè)計。

1 探究“二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)”實驗設(shè)計的文獻評述

1.1 研究現(xiàn)狀

二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)是初中化學(xué)常見而又重要的反應(yīng)，許多一線教師拓寬視角，深入挖掘，設(shè)計了系列方法來探究該反應(yīng)的發(fā)生。常見的方法有以下五種類型：

1.1.1 產(chǎn)物檢驗法

產(chǎn)物檢驗法主要是根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì)，通過實驗檢驗是否有碳酸鈉生成，從而獲得證據(jù)證明CO2與NaOH溶液發(fā)生了反應(yīng)。常見的方法見表1。

1.1.2 壓強變化法

壓強變化法是指在密閉容器中由于二氧化碳的消耗導(dǎo)致壓強變化，從而利用壓強變化設(shè)計實驗產(chǎn)生明顯現(xiàn)象的方法。常見的方法見表2。

由于氫氧化鈉溶液中含有水，水也可以吸收一些二氧化碳?xì)怏w，導(dǎo)致壓強減小，因此，許多教師設(shè)計了對照實驗來排除水的干擾。常見方法見表3。

1.1.3 定量測定法

在通常情況下，1體積水中大約能溶解1體積二氧化碳?xì)怏w。定量測定法是利用一定體積的二氧化碳與一定體積的氫氧化鈉溶液反應(yīng)，設(shè)計實驗檢驗二氧化碳減少的體積來證明CO2與NaOH溶液發(fā)生了反應(yīng)。常見方法見表4。

1.1.4 直接證明法

二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)實驗大多數(shù)是在水溶液中進行的。由于生成物碳酸鈉也易溶于水，所以觀察不到明顯明顯反應(yīng)現(xiàn)象。一些教師設(shè)計了如下實驗進行直接證明，效果明顯。具體方法見表5。

1.1.5 pH檢驗法

pH檢驗法主要是通過滴加酚酞試液、使用pH試紙、pH計（如圖1）、pH傳感器等方法，通過觀察顏色變化或pH的變化來證明CO2與NaOH溶液發(fā)生了反應(yīng)。

1.2 發(fā)展趨勢

縱觀上述實驗設(shè)計，一線教師在實驗創(chuàng)新上進行了非常細(xì)致的、有深度的研究，為后續(xù)研究提供了寶貴的學(xué)習(xí)資源和借鑒機會。同時，也給后續(xù)進一步研究留下了一定的空間。

（1）已有的研究主要集中在密閉容器壓強的變化、產(chǎn)物的檢驗、pH的變化等視角，對于CO2濃度的變化、反應(yīng)體系能量的變化等視角還有很大的研究空間。

（2）已有的研究主要以反應(yīng)的結(jié)果作為間接證據(jù)，無法將CO2與NaOH反應(yīng)的過程從數(shù)據(jù)和視覺上連續(xù)地呈現(xiàn)出來。同時，無法體現(xiàn)反應(yīng)過程中CO2濃度、反應(yīng)體系壓強、反應(yīng)體系能量之間的同步變化情況。

（3）已有的研究主要集中在對裝置的設(shè)計和改進上，雖然也有一些教師嘗試使用傳感器對此實驗進行了研究，但主要還是停留在某一方面的視角上。隨著科技的發(fā)展，實驗創(chuàng)新逐漸從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代，數(shù)字技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于化學(xué)實驗中，為系統(tǒng)地、多視角地探究CO2與NaOH發(fā)生反應(yīng)拓展了空間。

2 探究數(shù)字技術(shù)用于CO2與NaOH反應(yīng)的數(shù)字化實驗設(shè)計

數(shù)字化實驗主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦及相關(guān)應(yīng)用軟件構(gòu)成。壓強傳感器、二氧化碳傳感器、溫度傳感器、pH傳感器分別用于檢測密閉體系內(nèi)的氣壓、CO2濃度、溫度、溶液的pH變化，并以數(shù)字、曲線等多種形式形象地顯示出來。

2.1 反應(yīng)容器內(nèi)壓強變化的視角

2.1.1 實驗儀器和實驗藥品

實驗儀器：具支錐形瓶、注射器、分液漏斗、錐形瓶、導(dǎo)管、橡皮塞、壓強傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦

實驗藥品：氫氧化鈉溶液、石灰石、稀鹽酸

2.1.2 實驗裝置

實驗裝置見圖2。

2.1.3 操作要點

（1）檢查裝置氣密性。

（2）按圖2連接好裝置，在具支錐形瓶中收集CO2氣體，設(shè)置好采集頻率、采集時間。

（3）將NaOH溶液全部推入具支錐形瓶中，點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。endprint

（4）將注射器中的NaOH溶液換成等量的水重復(fù)上面的操作。

2.1.4 實驗現(xiàn)象和結(jié)論

實驗現(xiàn)象如圖3，由壓強傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷下降的趨勢，且CO2與NaOH反應(yīng)比CO2與水反應(yīng)變化更明顯。上述現(xiàn)象從密閉容器內(nèi)壓強減小的視角說明CO2和NaOH溶液發(fā)生了反應(yīng)，而不僅僅是溶于水或與水發(fā)生了反應(yīng)。

2.2 反應(yīng)物CO2濃度變化的視角

2.2.1 實驗儀器和實驗藥品

實驗儀器：三頸燒瓶、注射器、分液漏斗、錐形瓶、導(dǎo)管、橡皮塞、CO2傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦

實驗藥品：NaOH溶液、石灰石、稀鹽酸

2.2.2 實驗裝置

實驗裝置見圖4。

2.2.3 操作要點

實驗操作步驟同“利用壓強傳感器探究CO2與NaOH反應(yīng)”。

2.2.4 實驗現(xiàn)象和結(jié)論

實驗現(xiàn)象如圖5，由CO2傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷下降的趨勢，且CO2與NaOH反應(yīng)比CO2與水反應(yīng)變化更明顯。上述現(xiàn)象從反應(yīng)物CO2濃度的減少視角說明了CO2和NaOH發(fā)生了反應(yīng)，而不僅僅是溶于水或與水發(fā)生了反應(yīng)。（說明：目前中學(xué)實驗室使用的各種品牌的CO2傳感器量程最大為100000ppm，所以一開始CO2濃度和時間曲線看似沒有變化，實際上也是呈不斷下降趨勢的。）

2.3 反應(yīng)物NaOH濃度變化的視角

2.3.1 實驗儀器和實驗藥品

實驗儀器：燒杯、分液漏斗、錐形瓶、導(dǎo)管、橡皮塞、pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦

實驗藥品：NaOH溶液、石灰石、稀鹽酸

2.3.2 實驗裝置

實驗裝置見圖6。

2.3.3 操作要點

（1）在錐形瓶和分液漏斗中加適量大理石和稀鹽酸，將pH傳感器、裝有NaOH溶液的錐形瓶、數(shù)據(jù)采集器及電腦連接好，設(shè)置好采集頻率、采集時間。（說明：基于初中學(xué)生的已有基礎(chǔ)，同時考慮到在課上演示的實驗效果，本實驗使用pH在12～13之間的NaOH溶液。）

（2）打開分液漏斗活塞，把稀鹽酸滴入錐形瓶中，點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

2.3.4 實驗現(xiàn)象和結(jié)論

實驗現(xiàn)象如圖7，由pH傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷下降的趨勢。此現(xiàn)象從另一個反應(yīng)物NaOH中OH-離子濃度減少的視角說明了CO2和NaOH發(fā)生了反應(yīng)。

2.4 反應(yīng)能量變化的視角

2.4.1 實驗儀器和實驗藥品

實驗儀器：錐形瓶、注射器、分液漏斗、錐形瓶、導(dǎo)管、橡皮塞、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦

實驗藥品：NaOH溶液、石灰石、稀鹽酸

2.4.2 實驗裝置

實驗裝置見圖8。

2.4.3 操作要點

實驗操作步驟同“利用壓強傳感器探究CO2與NaOH反應(yīng)”。

2.4.4 實驗現(xiàn)象和結(jié)論

實驗現(xiàn)象如圖9，由溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷上升的趨勢，且CO2與NaOH反應(yīng)比CO2與水反應(yīng)變化更明顯。上述現(xiàn)象從能量變化的視角說明了CO2和NaOH發(fā)生了反應(yīng)，而不僅僅是溶于水或與水發(fā)生了反應(yīng)。

3 基于探究CO2與NaOH反應(yīng)數(shù)字化實驗設(shè)計的思考

3.1 樹立反應(yīng)發(fā)生的證據(jù)意識

探究沒有明顯現(xiàn)象的反應(yīng)發(fā)生過程，要注重培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識，能對物質(zhì)的變化提出可能的假設(shè)，設(shè)計實驗收集證據(jù)，基于證據(jù)進行分析推理加以證實或證偽。證據(jù)的類型可以是感官感知的，也可以是借助技術(shù)記錄的。探究化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的證據(jù)見表6。

3.2 體現(xiàn)化學(xué)變化的學(xué)科本質(zhì)

從宏觀的角度，化學(xué)變化不僅僅有新物質(zhì)的生成，還常常伴隨著能量、壓強、濃度等的變化。CO2與NaOH反應(yīng)的數(shù)字化實驗設(shè)計幫助我們從多個維度探究反應(yīng)的發(fā)生，體現(xiàn)了化學(xué)變化的學(xué)科本質(zhì)。從化學(xué)變化的學(xué)科本質(zhì)出發(fā)，還可以設(shè)計如圖10裝置，具體操作同“利用壓強傳感器探究CO2與NaOH反應(yīng)”，現(xiàn)象同圖3、圖5、圖9。

通過此實驗裝置實現(xiàn)了觀察氣壓、CO2濃度、溫度三者的同步變化。

3.3 拓展實驗創(chuàng)新的技術(shù)視角

創(chuàng)新實踐是中國學(xué)生發(fā)展六大核心素養(yǎng)之一，傳統(tǒng)實驗創(chuàng)新重點在實驗裝置的整合與改進、實驗試劑的選擇及實驗原理的完善上。數(shù)字化實驗技術(shù)應(yīng)用于實驗，可讓化學(xué)實驗從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代，為實驗的設(shè)計拓展了創(chuàng)新的視角。通過不同類型傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗儀器中用眼、手、紙和筆對現(xiàn)象、數(shù)據(jù)的記錄和分析，為無明顯現(xiàn)象的反應(yīng)設(shè)計“可視化”過程的實驗打開了方便之門，為對照實驗同步化設(shè)計提供了技術(shù)支持，為傳統(tǒng)實驗儀器無法完成的定量實驗的創(chuàng)新設(shè)計提供了有力保障。

3.4 提升學(xué)生發(fā)展的信息素養(yǎng)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人類進入了信息時代?；瘜W(xué)信息素養(yǎng)是現(xiàn)代社會人所必須具備的基本信息素養(yǎng)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和化學(xué)學(xué)習(xí)能力的重要組成部分，它與學(xué)生理解化學(xué)學(xué)科、學(xué)會實驗探究、解決化學(xué)問題等化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的形成是互相融合的，是化學(xué)教學(xué)必須協(xié)同培養(yǎng)的基本素養(yǎng)之一[4]。數(shù)字化實驗的創(chuàng)新設(shè)計是滲透師生信息素養(yǎng)培育的有效途徑。教師利用數(shù)字技術(shù)用于實驗教學(xué)時，在關(guān)注學(xué)科知識學(xué)習(xí)的同時，要注重引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用技術(shù)來解決問題，通過把技術(shù)的功能與學(xué)科知識相結(jié)合，讓學(xué)生把技術(shù)作為獲取知識和加工信息、解決問題的工具，從而有效提升學(xué)生的信息素養(yǎng)。

參考文獻：

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