基于證據(jù)推理的實(shí)驗(yàn)探究

李輝力 梁淑珍 鄭柳萍

摘 要：針對(duì)初中化學(xué)教學(xué)和中考試題中兩個(gè)實(shí)驗(yàn)探究“NaOH與CO2能否反應(yīng)”和“NaOH溶液吸收CO2變質(zhì)后溶液中溶質(zhì)的成分”存在的問題從理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)方面進(jìn)行探討，還原實(shí)驗(yàn)探究的真實(shí)情境和目的，同時(shí)為中考實(shí)驗(yàn)探究題的命制提供實(shí)驗(yàn)情境和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：NaOH溶液與CO2；證據(jù)推理；科學(xué)探究；理論分析；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)分為5個(gè)方面：宏觀辨識(shí)與微觀解析；變化觀念與平衡思想；證據(jù)推理與模型認(rèn)知；科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)；科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任。證據(jù)推理：具有證據(jù)意識(shí)，能基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實(shí)或證偽；建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系；知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征?？茖W(xué)探究：能發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的問題；能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案，運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究；勤于實(shí)踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新?；瘜W(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，在實(shí)驗(yàn)探究過程中去培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，而基于證據(jù)推理的實(shí)驗(yàn)探究更能體現(xiàn)化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)。初中化學(xué)教學(xué)和試題中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)“NaOH與CO2能否反應(yīng)”和“NaOH溶液吸收CO2變質(zhì)后溶液中溶質(zhì)的成分”是很好的探究題材，其探究過程中涉及證據(jù)推理、變化觀念、宏觀辨識(shí)、科學(xué)探究、創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)態(tài)度等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、 問題與現(xiàn)狀

在探究“NaOH與CO2能否反應(yīng)”的教學(xué)中，大多數(shù)教師是利用NaOH溶液與CO2來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，由于NaOH溶液與CO2氣體的反應(yīng)過程中沒有特別明顯的可觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，經(jīng)常根據(jù)反應(yīng)后CO2氣體的減少來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明NaOH溶液與CO2氣體能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)還要利用控制變量來設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)排除水與CO2氣體反應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。在實(shí)際教學(xué)過程中學(xué)生還會(huì)提出“反應(yīng)本質(zhì)中是不是CO2氣體先與水反應(yīng)生成碳酸，碳酸再與NaOH發(fā)生中和反應(yīng)”的疑問。顯然這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并不能幫助學(xué)生去正確認(rèn)識(shí)NaOH與CO2之間的反應(yīng)，學(xué)生無法通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察來判斷物質(zhì)間是否發(fā)生化學(xué)變化和分析化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，如果我們利用NaOH固體與CO2氣體來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究就可以解決上述問題。

在探究“NaOH溶液吸收CO2變質(zhì)后溶液中溶質(zhì)的成分”的專題復(fù)習(xí)教學(xué)中，大多數(shù)教師沒有思考如何通過控制反應(yīng)物的質(zhì)量來達(dá)到NaOH溶液的部分變質(zhì)或完全變質(zhì)，實(shí)際教學(xué)中經(jīng)常是：完全相信試題所呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)情境，進(jìn)行就題講題的偽實(shí)驗(yàn)探究；配制NaOH與Na2CO3混合溶液，進(jìn)行人為設(shè)計(jì)的“假”實(shí)驗(yàn)探究。利用容積不同的塑料瓶來收集CO2氣體分別與相同質(zhì)量的NaOH溶液反應(yīng)，可讓學(xué)生在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情境下去探究反應(yīng)，也讓教師在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)探究中去審視試題情境的真實(shí)性，共同培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、敢于質(zhì)疑批判的品質(zhì)。

二、 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

（一） CO2氣體的制取和收集

二氧化碳必須是純凈干燥的，可將產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過飽和碳酸氫鈉溶液（除去HCl氣體）和濃硫酸（吸收水蒸氣）后采用向上排空氣法收集。利用軟塑料瓶（相同品牌、不同容積的礦泉水瓶）分別收集380mL、550mL和1500mL各一瓶的CO2。（二） NaOH溶液的配制

配制不含Na2CO3的NaOH溶液：先將NaOH配成飽和溶液（物質(zhì)的量濃度為20.28mol/L）。Na2CO3在飽和NaOH溶液中幾乎不溶解，會(huì)慢慢沉淀出來，待Na2CO3沉淀完全后，可吸取19.7mL的上層清液，加水稀釋至100mL可得4.0mol/L的NaOH溶液（20mL溶液中含3.2g，下同）。此外，用來配制NaOH溶液的蒸餾水，也應(yīng)加熱煮沸放冷，除去其中的CO2。

三、 科學(xué)探究Ⅰ：設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)證明NaOH與CO2發(fā)生反應(yīng)

（一） 提出問題

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明NaOH溶液與CO2發(fā)生反應(yīng)，由于CO2能溶于水且能與水反應(yīng)，因此要進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。能否只設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)來證明NaOH與CO2發(fā)生反應(yīng)？

教學(xué)靈感來自教材下冊(cè)P46“固體氫氧化鈉還能吸收二氧化碳?xì)怏w而變質(zhì)”。能否用固體NaOH與CO2氣體來證明兩者能發(fā)生反應(yīng)？

（二） 理論分析（推理）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新

問題：如何證明CO2氣體被消耗？

學(xué)生：用塑料瓶做反應(yīng)容器，可觀察塑料瓶變癟的情況來真切地感知反應(yīng)是否發(fā)生。

問題：如何證明有H2O生成？

學(xué)生：用固體NaOH與純凈干燥的CO2反應(yīng)，觀察是否有H2O生成。

問題：如何證明有Na2CO3生成？

學(xué)生：加入足量的稀鹽酸，若有Na2CO3，則能產(chǎn)生大量的CO2氣體，理論上Na2CO3與稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的CO2等于原來塑料瓶中的CO2，預(yù)測(cè)可觀察到塑料瓶恢復(fù)到原來的形狀。

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新：

往充滿純凈干燥CO2氣體的塑料瓶中加入NaOH固體，旋緊瓶塞，充分振蕩。

（三） 實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象記錄（證據(jù)）

（四） 實(shí)驗(yàn)反思與拓展

NaOH不宜過多，約為1.4g，通過實(shí)驗(yàn)前的稱量約為1藥匙；不斷振蕩，避免塑料瓶某個(gè)地方熱量過于集中而軟化甚至熔化；塑料瓶的密封性良好，實(shí)驗(yàn)過程中可用水冷卻。

四、 科學(xué)探究Ⅱ：NaOH溶液吸收CO2變質(zhì)后溶液中溶質(zhì)的成分

（一） 提出問題

問題來源于2017年湖南懷化市中考化學(xué)試題第28題（節(jié)選）的探究情境：

【提出問題】

氫氧化鈉溶液中通入CO2一段時(shí)間后所得的溶液（下面稱樣品）中會(huì)有什么溶質(zhì)？

【提出猜想】A. 溶質(zhì)是NaOH、Na2CO3；B. 溶質(zhì)是Na2CO3；

C. 溶質(zhì)是Na2CO3、NaHCO3；D.溶質(zhì)是NaHCO3。

【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案】

【得出結(jié)論】猜想C成立。注：圈內(nèi)的內(nèi)容為主要問題來源和探究?jī)?nèi)容。

向?qū)W生展示上述試題，學(xué)生馬上聯(lián)想到新課講授時(shí)對(duì)NaOH溶液吸收CO2變質(zhì)后其溶液中溶質(zhì)成分的猜想如下：①NaOH和Na2CO3（NaOH部分變質(zhì)）；②Na2CO3（NaOH完全變質(zhì)）。在學(xué)生產(chǎn)生強(qiáng)烈的思維沖突下適時(shí)向?qū)W生提出問題：

問題：實(shí)驗(yàn)如何控制CO2的質(zhì)量來使得NaOH部分變質(zhì)或完全變質(zhì)？通入CO2一段時(shí)間顯然無法控制反應(yīng)的進(jìn)程。

問題：變質(zhì)后溶液中溶質(zhì)的成分是4種情況還是2種情況？

問題：如何采用正確的實(shí)驗(yàn)方法來證明反應(yīng)后溶液中溶質(zhì)的成分？

（二） 理論分析（推理）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新

教學(xué)靈感來自礦泉水塑料瓶有固定的容積可控制CO2氣體的體積（質(zhì)量）。常溫時(shí)，CO2氣體的密度為1.977g/L。550mL塑料礦泉水瓶充滿CO2（CO2約為1.08g）；1500mL塑料礦泉水瓶充滿CO2（CO2約為2.95g）。通過多次計(jì)算選擇這兩種規(guī)格的塑料瓶以達(dá)到教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的目的。

問題：計(jì)算20mL NaOH溶液（含3.2 g NaOH）要與多少克CO2反應(yīng)完全生成Na2CO3？

學(xué)生：通過2NaOH+CO2Na2CO3+H2O計(jì)算可知3.2 g NaOH要與1.76g CO2反應(yīng)才能完全反應(yīng)生成

Na2CO3。

問題：已知550mL塑料瓶中的CO2約為1.08g；1500mL塑料瓶中的CO2約為2.95g。分別往550mL和1500mL塑料瓶（充滿純凈干燥CO2中加入20mL NaOH溶液，迅速旋緊瓶塞，充分振蕩。你預(yù)測(cè)反應(yīng)的現(xiàn)象是什么？

學(xué)生：從1.08g<1.76g<2.95g的關(guān)系可預(yù)測(cè)反應(yīng)的現(xiàn)象為550mL的塑料瓶會(huì)完全變癟（塑料瓶中CO2完全反應(yīng)）；1500mL的塑料瓶不會(huì)完全變癟（塑料瓶中CO2有剩余）。

（三） 實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象記錄（證據(jù)）

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：利用大理石與稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生CO2氣體并依次通過裝有飽和碳酸氫鈉溶液和濃硫酸的洗氣瓶，收集兩瓶（550mL塑料瓶、1500mL塑料瓶）純凈干燥的CO2氣體；分別快速地倒入20mL的NaOH溶液，旋緊瓶塞，充分振蕩，觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：反應(yīng)放出大量的熱，兩個(gè)塑料瓶幾乎都完全變癟。

問題：兩個(gè)塑料瓶幾乎都完全變癟（如圖1所示）說明什么？

學(xué)生：CO2能繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。

引導(dǎo)學(xué)生查閱資料收集證據(jù)：

NaOH與CO2的反應(yīng)情況為2NaOH+CO2Na2CO3+H2O；Na2CO3+CO2+H2O2NaHCO3。

問題：根據(jù)上述資料你能做出什么更合理的猜想？

學(xué)生：根據(jù)以上的反應(yīng)，可以推理出反應(yīng)后溶液中溶質(zhì)的4種情況：

（1）Na2CO3、NaOH（部分NaOH與CO2反應(yīng)生成Na2CO3；

（2）Na2CO3（NaOH與CO2恰好完全反應(yīng)生成Na2CO3；

（3）Na2CO3、NaHCO3（部分Na2CO3與CO2反應(yīng)生成NaHCO3；

（4）NaHCO3（Na2CO3與CO2恰好完全反應(yīng)生成NaHCO3。

由于對(duì)NaHCO3這種物質(zhì)的了解有限，應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生查閱NaHCO3的相關(guān)資料：

①20℃時(shí)，在水中，NaHCO3的溶解度為9.6g（Na2CO3的溶解度為21.8g）。

②其水溶液在20℃時(shí)開始分解出二氧化碳和碳酸鈉，到沸點(diǎn)時(shí)全部分解。

③溶于水時(shí)呈現(xiàn)弱堿性。25℃新鮮配制的0.1mol/L水溶液pH為8.3。

教師提示：酚酞的變色范圍為pH 8.2～10.0，由無色變紅色。

理論分析推理：引導(dǎo)學(xué)有余力的學(xué)生可以通過計(jì)算求出兩個(gè)塑料瓶中溶質(zhì)的成分和質(zhì)量。

通過理論計(jì)算去預(yù)測(cè)反應(yīng)的現(xiàn)象和結(jié)果可以提升學(xué)生的科學(xué)探究的有效性。

550mL塑料瓶溶液中的溶質(zhì)是2.60g Na2CO3和1.74g NaOH。

1500mL塑料瓶溶液中的溶質(zhì)是1.37g Na2CO3和4.54g NaHCO3。

由于反應(yīng)放出大量的熱，可將塑料瓶放于冰水中冷卻后再進(jìn)行觀察和驗(yàn)證。

問題：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證550mL塑料瓶溶液中的溶質(zhì)是什么物質(zhì)？

實(shí)驗(yàn)過程：

結(jié)論：550mL塑料瓶溶液中的溶質(zhì)是Na2CO3和NaOH。

問題：1500mL塑料瓶溶液中的溶質(zhì)有什么物質(zhì)？

學(xué)生：冷卻后，1500mL塑料瓶中會(huì)有大量固體析出（如圖2所示），從資料中可知NaHCO3的溶解度較小，析出的固體是NaHCO3，說明瓶中的溶液為NaHCO3的飽和溶液。

（四） 實(shí)驗(yàn)反思和拓展

在課前實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)“異常”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

①1500mL塑料瓶中的混合溶液（理論上為含有Na2CO3的NaHCO3飽和溶液）中滴加BaCl2溶液的過程中

不斷有小氣泡產(chǎn)生（剛開始時(shí)氣泡較少，后來氣泡逐漸增多）；

②滴加BaCl2溶液至不再產(chǎn)生沉淀，取上層清液滴加足量稀鹽酸卻看不到有氣泡產(chǎn)生；取上層清液滴加酚酞試液也看不到溶液顯紅色。

可能原因：NaHCO3溶液不穩(wěn)定，在20℃時(shí)開始分解出CO2和Na2CO3，分解產(chǎn)生的Na2CO3與加入的BaCl2溶液反應(yīng)，導(dǎo)致最終NaHCO3完全分解。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：取約2 mL 4℃0.1mol/LNaHCO3溶液于試管中，滴加幾滴BaCl2溶液。

現(xiàn)象：有白色沉淀生成。說明NaHCO3溶液不穩(wěn)定，會(huì)分解生成Na2CO3。

在論文學(xué)習(xí)過程中得知通過手持技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與理論推導(dǎo)相結(jié)合的方法最終得出在常量范圍內(nèi)可用氯化鋇來鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉的結(jié)論，但在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是很難達(dá)到的。試題利用“滴加BaCl2溶液有白色沉淀生成來得到溶質(zhì)中沒有NaHCO3”的實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)論是不夠準(zhǔn)確的。

NaOH與CO2恰好反應(yīng)生成Na2CO3；Na2CO3溶液與CO2反應(yīng)全部生成NaHCO3。這兩種情況在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中是很難做到的，可以引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“變化觀念與平衡思想”的角度去理解。

五、 幾點(diǎn)思考

科學(xué)探究是讓我們?cè)O(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單可行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案而不是把實(shí)驗(yàn)復(fù)雜化，探究之前進(jìn)行理論分析推理可減少實(shí)驗(yàn)的錯(cuò)誤率和一些不必要的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。平時(shí)教學(xué)中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的分析推理和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力，讓學(xué)生完成自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)而不是教師事先設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)。

反應(yīng)的可能性（理論分析、計(jì)算等得出的）和反應(yīng)的現(xiàn)實(shí)性（在一定條件下反應(yīng)實(shí)際發(fā)生時(shí)的具體情況）之間的區(qū)別和辯證關(guān)系。無法通過實(shí)驗(yàn)確定1500mL塑料瓶中的溶液是否含有Na2CO3，這是本次實(shí)驗(yàn)探究中遺留的一個(gè)問題，在今后的教學(xué)過程中繼續(xù)探究。

試題的命制過程中涉及實(shí)驗(yàn)探究的情境時(shí)，應(yīng)充分考慮實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)性、實(shí)驗(yàn)探究情境的真實(shí)性，而不是憑空想象或隨意捏造的。教師對(duì)試題應(yīng)該心存敬意（試題命制是一件很不容易的事），但也要有自己的見解和看法，教師要先有思辨和批判的精神，才能培養(yǎng)學(xué)生的思辨和批判的精神。

（通訊作者：鄭柳萍）

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作者簡(jiǎn)介：李輝力，福建省泉州市，泉州第五中學(xué)；

梁淑珍，福建省泉州市，泉州第九中學(xué)；

鄭柳萍，福建省福州市，福建師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院。