借助傳感器探究碳酸鈉與碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性

徐建菊 吳曉紅

摘要： 對酒精燈加熱條件下碳酸鈉與碳酸氫鈉時(shí)導(dǎo)管插入澄清石灰水均出現(xiàn)渾濁的現(xiàn)象，進(jìn)行理論分析并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。用二氧化碳傳感器測定在酒精燈加熱條件下，碳酸鈉、碳酸氫鈉試樣及灼燒約1小時(shí)的碳酸氫鈉密閉體系內(nèi)二氧化碳濃度的變化情況。結(jié)果表明，用酒精燈加熱時(shí)，碳酸氫鈉不穩(wěn)定易分解，而碳酸鈉很穩(wěn)定不易分解。通過分析此現(xiàn)象，有助于深化學(xué)生對碳酸鈉與碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性的理解。

關(guān)鍵詞： 碳酸鈉; 碳酸氫鈉; 熱穩(wěn)定性; 二氧化碳傳感器; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 10056629（2019）4006304中圖分類號： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》在對素養(yǎng)4“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”劃分的水平4中指出“能用數(shù)據(jù)、圖表、符號等處理實(shí)驗(yàn)信息;能對實(shí)驗(yàn)中的‘異?，F(xiàn)象和已有結(jié)論進(jìn)行反思、提出質(zhì)疑和新的實(shí)驗(yàn)設(shè)想，并進(jìn)一步付諸實(shí)施”[1]。由此可知實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的“異?，F(xiàn)象”隱含著可挖掘的潛在知識和價(jià)值。筆者在進(jìn)行碳酸鈉與碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性區(qū)別的實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了“異常現(xiàn)象”，即酒精燈在加熱碳酸鈉和碳酸氫鈉固體時(shí)，將導(dǎo)管插入澄清石灰水中，澄清石灰水都變渾濁了。對于碳酸鈉和碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性的比較，人教版高中化學(xué)教材安排在“科學(xué)探究”欄目中，進(jìn)行套管實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中師生一起得出關(guān)于碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性，即碳酸鈉加熱不分解，碳酸氫鈉加熱易分解[2];魯科版高中化學(xué)教材安排在“活動(dòng)·探究”欄目中，得出的結(jié)論是：“實(shí)驗(yàn)表明，在酒精燈加熱的條件下，碳酸鈉不能分解，而碳酸氫鈉能分解生成碳酸鈉、水和二氧化碳”[3];蘇教版高中化學(xué)教材安排在“活動(dòng)與探究”欄目中，通過實(shí)驗(yàn)得出關(guān)于碳酸鈉和碳酸氫鈉的化學(xué)性質(zhì)對比的表格，表格中關(guān)于二者熱穩(wěn)定性是這樣描述的：“碳酸鈉穩(wěn)定、碳酸氫鈉不穩(wěn)定”[4]。三個(gè)版本教材在對于二者熱穩(wěn)定性的描述中都能得出碳酸鈉穩(wěn)定而碳酸氫鈉不穩(wěn)定這一說法，可見筆者所得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與教材描述不相符?；谶@一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，筆者設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，借助維尼爾（Vernier）二氧化碳傳感器實(shí)時(shí)采集密閉體系中二氧化碳濃度的變化來區(qū)別碳酸鈉與碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性。

2 實(shí)驗(yàn)原理

許多鹽受熱會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，由于鹽的種類不同，分解產(chǎn)物的類型、分解反應(yīng)的難易有很大差別。對于無機(jī)含氧酸鹽，較為普遍的是受熱分解生成原始組成的氧化物或酸和堿，同種金屬對應(yīng)的碳酸鹽較碳酸氫鹽的熱穩(wěn)定性強(qiáng)[5]。

二氧化碳傳感器在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中能夠測量二氧化碳?xì)怏w的濃度，測量結(jié)果表示為體積分?jǐn)?shù)，測量范圍為0到100000ppm。借助二氧化碳傳感器可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測量碳酸鈉和碳酸氫鈉受熱過程中體系二氧化碳濃度的變化，由二氧化碳濃度的變化來說明碳酸鈉與碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性的區(qū)別。

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 儀器、藥品和材料

威尼爾（Vernier）二氧化碳傳感器、數(shù)據(jù)采集器、USB數(shù)據(jù)線、電腦和配套軟件、origin 7.5軟件

碳酸鈉（AR）、碳酸氫鈉（AR）

酒精燈、火柴、止水夾、乳膠管、自制具支大試管、鐵架臺(tái)、藥匙、稱量紙、分析天平、烘干箱、蒸發(fā)皿、玻璃棒、三腳架

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 組裝儀器： 如圖1所示，連接好儀器，固定裝置并檢查裝置的氣密性。

1—鐵架臺(tái);2—酒精燈;3—藥品;4—自制具支大試管;5—乳膠管和止水夾;6—二氧化碳傳感器;7—數(shù)據(jù)采集器;8—計(jì)算機(jī)

（2） 裝藥品： 稱取約0.5g碳酸鈉固體于自制具支大試管底部，塞上二氧化碳傳感器。

（3） 開始實(shí)驗(yàn)： 打開電腦上軟件，設(shè)置軟件菜單欄中“實(shí)驗(yàn)”中“數(shù)據(jù)采集”為“持續(xù)采集數(shù)據(jù)”，點(diǎn)擊“采集”按鈕，傳感器開始預(yù)先采集試管內(nèi)二氧化碳濃度，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后點(diǎn)燃酒精燈，先對試管底部預(yù)熱再集中加熱，實(shí)驗(yàn)持續(xù)到數(shù)據(jù)較為平緩時(shí)即可停止采集，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，后期用origin 7.5軟件完成作圖。

（4） 清洗試管并干燥，稱取約0.5g碳酸氫鈉固體于試管底部，塞上二氧化碳傳感器，重復(fù)步驟（3），保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并做相關(guān)的處理。

（5） 清洗試管并干燥，將灼燒約1h冷卻后的0.5g碳酸氫鈉固體于試管底部，塞上二氧化碳傳感器，重復(fù)步驟（3），保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并做相關(guān)的處理。

4 圖像分析

4.1 加熱碳酸鈉固體體系CO2隨時(shí)間變化情況

由圖2可知，曲線先緩慢上升后趨于平緩，體系二氧化碳濃度在增加，此情況下說明酒精燈加熱能使碳酸鈉固體分解。加熱0.5g碳酸鈉固體得到圖2曲線大約用時(shí)1400s，對曲線進(jìn)行線性擬合，得到一定時(shí)間內(nèi)體系二氧化碳濃度的變化速率約為5.104ppm/s，圖中停止加熱時(shí)體系二氧化碳濃度約為12170ppm，即為1.217%。

4.2 加熱碳酸氫鈉固體體系CO2隨時(shí)間變化情況

由圖3可知，曲線呈急劇上升趨勢，到一定時(shí)間后瞬間保持平衡（注： 本實(shí)驗(yàn)中二氧化碳傳感器量程為0～100000ppm，超過該量程無法測量，故瞬間保持平衡），體系二氧化碳濃度在急劇增多，說明酒精燈加熱能使碳酸氫鈉固體快速分解。加熱0.5g碳酸氫鈉固體得到圖3曲線大約用時(shí)100s，對曲線進(jìn)行線性擬合，得到一定時(shí)間內(nèi)體系二氧化碳濃度的變化速率約為1545ppm/s，圖中停止加熱時(shí)體系二氧化碳濃度約為100242ppm，即為10.0242%。

4.3 分析討論

本實(shí)驗(yàn)中由圖2、圖3可得出相應(yīng)的結(jié)論：“碳酸鈉和碳酸氫鈉固體在酒精燈加熱的條件下都能分解產(chǎn)生二氧化碳”，這一結(jié)論與筆者實(shí)驗(yàn)（澄清石灰水變渾濁）相符合。然而在魯科版教材中明確指出在酒精燈加熱的條件下，碳酸鈉不能分解，故而不能使澄清石灰水變渾濁，本文實(shí)驗(yàn)中的結(jié)論只有碳酸氫鈉符合教材描述?；谶@一現(xiàn)象，我們考慮到可能是以下幾個(gè)問題所致： （1）傳感器的問題;（2）藥品的問題;（3）加熱的問題。針對這幾個(gè)問題，我們依次進(jìn)行了試驗(yàn)，對于問題（1），我們用二氧化碳傳感器檢測了空氣中二氧化碳濃度，檢測結(jié)果約為295ppm，即空氣中二氧化碳濃度約為0.0295%，該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與人教版九年級化學(xué)教材中所說二氧化碳在空氣中濃度約為0.03%[6]幾乎相等。此外我們又進(jìn)行了空白實(shí)驗(yàn)，只對試管進(jìn)行加熱，傳感器采集到的二氧化碳濃度并未上升，由此可知傳感器沒問題，實(shí)驗(yàn)中的“異?，F(xiàn)象”不是傳感器所致;對于問題（2），我們更換另一分析純的碳酸鈉固體重復(fù)實(shí)驗(yàn)依舊得到圖2;對于問題（3），其實(shí)質(zhì)是溫度的高低。查閱教材得知堿金屬對應(yīng)的碳酸鹽其受熱分解溫度由上而下依次升高，分解溫度依次是碳酸鋰<碳酸鈉<碳酸鉀<碳酸銣<碳酸銫，書中給出碳酸鋰的分解溫度是1543K，即1300℃[7]，由此可知碳酸鈉熱分解的溫度高于1300℃。而借助手持技術(shù)中的高溫傳感器測得酒精燈的溫度最高達(dá)不到1000℃[8]，由此可知酒精燈加熱條件下碳酸鈉固體是不會(huì)分解的。若想讓碳酸鈉受熱分解，熱源提供的溫度必須不小于其熱分解溫度。造成圖2的現(xiàn)象只能說明是藥品的問題，即碳酸鈉固體中含有極少量的碳酸氫鈉固體或其他受熱極易分解的碳酸鹽。為進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)來說明問題，我們稱取約0.5g碳酸氫鈉固體，用酒精燈灼燒約1h，冷卻后放入自制具支試管中，塞上二氧化碳傳感器，重復(fù)步驟（3），得到圖4。

4.4 加熱灼燒后的碳酸氫鈉固體體系CO2隨時(shí)間變化情況

由圖4可知，對灼燒約1h后的0.5g碳酸氫鈉固體再次進(jìn)行加熱，曲線基本保持平緩與x軸重合（注： 有略微的上升趨勢主要是因?yàn)樽茻龝r(shí)間長短導(dǎo)致極少量碳酸氫鈉固體還未分解完全）。加熱0.5g灼燒約1h后的碳酸氫鈉固體得到圖4曲線大約用時(shí)600s，對曲線進(jìn)行線性擬合，得到一定時(shí)間內(nèi)體系二氧化碳濃度的變化速率約為1.182ppm/s，圖中停止加熱時(shí)體系二氧化碳濃度約為920ppm，即為0.092%。此圖已能說明一定的問題，若繼續(xù)對0.5g碳酸氫鈉固體灼燒，到一定時(shí)間后再用二氧化碳傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，理論上會(huì)得到體系二氧化碳濃度基本保持不變的曲線，由此可進(jìn)一步確定碳酸鈉固體在酒精燈加熱的條件下是不會(huì)分解的，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象是藥品不純所致。

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)酒精燈作為熱源進(jìn)行加熱時(shí)，碳酸鈉固體很穩(wěn)定不會(huì)分解，而碳酸氫鈉固體不穩(wěn)定易分解，且分解速率較快。導(dǎo)致這樣的區(qū)別除物質(zhì)本身的性質(zhì)外還與受熱溫度密切相關(guān)，一旦受熱溫度達(dá)到碳酸鈉固體分解溫度時(shí)，碳酸鈉也能分解。

6 結(jié)語

化學(xué)試劑的純度常會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論與理論分析不相符的情況，當(dāng)此現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，教師的處理方式在一定程度上決定了學(xué)生知識的掌握情況和對待學(xué)習(xí)的態(tài)度。針對碳酸鈉與碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性教學(xué)，倘若教師只是一味地給學(xué)生灌輸碳酸鈉加熱不分解而碳酸氫鈉加熱易分解這一結(jié)論，而對其本質(zhì)原因卻不做解釋，當(dāng)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)“異?！爆F(xiàn)象時(shí)，又叫學(xué)生如何去分析呢？綜上，為避免學(xué)生“知其然而不知其所以然”這一現(xiàn)象的發(fā)生，教師在授課過程中應(yīng)結(jié)合學(xué)生情況隨時(shí)調(diào)整教學(xué)方式，當(dāng)宏觀現(xiàn)象不明顯時(shí)教師可借助諸如二氧化碳傳感器等手持技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象數(shù)據(jù)化、直觀化，方便學(xué)生理解和記憶。

參考文獻(xiàn)：

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