用數(shù)字化實驗探究碳酸氫鈉和氯化鈣的反應(yīng)

徐雯 陳瑤

摘 要：在NaHCO3溶液與CaCl2溶液反應(yīng)的實驗中，本文采用pH傳感器和CO2傳感器，根據(jù)反應(yīng)過程中溶液的pH和CO2濃度的變化探討反應(yīng)產(chǎn)物，同時通過不同濃度反應(yīng)物的反應(yīng)也可以讓學(xué)生認識到反應(yīng)物濃度對反應(yīng)速率的影響。將該實驗運用于高中化學(xué)必修一“碳酸氫鈉和碳酸鈉的鑒別”的教學(xué)中，有利于學(xué)生正確理解NaHCO3與CaCl2的反應(yīng)，突破教學(xué)中的難點與疑點。

關(guān)鍵詞：氯化鈣;碳酸氫鈉;pH傳感器;CO2傳感器

一、問題的提出

Na2CO3和NaHCO3是都是常見的Na的化合物，而Na2CO3和NaHCO3的性質(zhì)比較和鑒別是教學(xué)中的重要內(nèi)容。在目前的中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)中，學(xué)生已經(jīng)知道，可以根據(jù)兩種物質(zhì)的熱穩(wěn)定性和與酸反應(yīng)的不同現(xiàn)象來鑒別Na2CO3和NaHCO3，那么能否用CaCl2溶液鑒別Na2CO3和NaHCO3呢？通過實驗可以發(fā)現(xiàn)CaCl2溶液分別與Na2CO3和NaHCO3溶液反應(yīng)都會出現(xiàn)溶液渾濁的現(xiàn)象，也會反應(yīng)生成沉淀，現(xiàn)象看似差別不大，那么CaCl2溶液是否可以鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液，以及如何讓學(xué)生能夠直觀地觀察到實驗現(xiàn)象，深刻地理解CaCl2和NaHCO3的反應(yīng)呢？

為此，我們針對CaCl2溶液和NaHCO3溶液反應(yīng)的實驗進行了改進，在實驗中引入pH傳感器和CO2傳感器分別來檢測反應(yīng)過程中pH值、CO2濃度的變化，學(xué)生可以直觀地從計算機軟件生成的pH值與CO2濃度變化曲線中“觀察”到CaCl2和NaHCO3是否發(fā)生了反應(yīng)。同時，本實驗通過不同反應(yīng)物濃度之間的反應(yīng)，也可以讓學(xué)生認識到反應(yīng)物濃度對反應(yīng)速率的影響。相對于電導(dǎo)率傳感器、渾濁度傳感器等，能夠使學(xué)生更容易理解pH傳感器和CO2傳感器的作用，同時幫助他們理解傳感器對應(yīng)數(shù)據(jù)的含義，并對圖表分析比較能力有一定的提升。

二、實驗步驟

①分別配制0.05 mol/L、0.1mol/L、0.2mo1/L碳酸氫鈉溶液與0.1mol/L氯化鈣溶液，備用。使用移液管（25mL）移取25 mL，0.1mol/L的氯化鈣溶液至三頸燒瓶（100mL）中;

②搭建實驗裝置。將30mL注射器、CO2傳感器和pH傳感器（傳感器已提前預(yù)熱）按順序從左至右分別置入三頸燒瓶中，并保證嚴格密封，且保持CO2傳感器暴露于三頸燒瓶內(nèi)的氣體中而pH傳感器末端被溶液浸沒;打開Logger Pro 3.8.6軟件，在數(shù)據(jù)采集器中設(shè)置模式（M）為“基于時間”，期間（D）為“600秒”，選擇“持續(xù)采集數(shù)據(jù)”，開啟磁力攪拌器，當傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定時點擊“采集”數(shù)據(jù)，用注射器向瓶內(nèi)注射25mL的0.05mol/L碳酸氫鈉溶液。實驗完成后，將實驗結(jié)果導(dǎo)出到計算機中進行分析處理。

③控制變量，將反應(yīng)底物25mL，0.2mol/L碳酸氫鈉溶液和25mL，0.1mol/L氯化鈣溶液，25mL，0.2mo1/L碳酸氫鈉溶液和25mL，0.1mol/L氯化鈣溶液，重復(fù)上述操作，得到不同的實驗曲線。

三、實驗結(jié)果討論

導(dǎo)出實驗數(shù)據(jù)，觀察CO2含量和pH變化?？梢钥闯觯诓煌瑵舛认略摲磻?yīng)都存在，當碳酸氫鈉溶液剛剛加入后，混合液的pH迅速上升，隨著反應(yīng)的進行，混合液的pH逐漸下降，這說明呈堿性的HCO3被消耗，而二氧化碳的濃度在不斷上升，說明此反應(yīng)產(chǎn)生了二氧化碳，當反應(yīng)進行到一段時間后，說明Ca2+和HCO3-反應(yīng)生成碳酸鈣和二氧化碳，反應(yīng)進行一段時間后，溶液變渾濁，反應(yīng)結(jié)束去除混合液后，發(fā)現(xiàn)瓶底附著一層白色固體，反應(yīng)所得的二氧化碳濃度變化、pH的變化與觀察到瓶中的現(xiàn)象可充分證明了碳酸鈣和二氧化碳的產(chǎn)生。

四、實驗改進的意義

（1）通過對Na2CO3、NaHCO3的鑒別實驗改進，讓學(xué)生更多的接觸數(shù)字化儀器，增強學(xué)生學(xué)習化學(xué)的興趣，同時將課本實驗更加具體化，現(xiàn)象更明顯。

（2）利用本實驗進一步掌握離子反應(yīng)的知識，認識化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)是離子間的反應(yīng)，對復(fù)分解反應(yīng)有更深刻的認識。

（3）該實驗具有操作簡單、現(xiàn)象直觀等特點，可實際應(yīng)用于高一必修內(nèi)容的教學(xué)。

五、結(jié)語

化學(xué)實驗是化學(xué)課堂中激發(fā)學(xué)生興趣的有效方法之一?？焖佟⒑啙?、整體的實驗驗證可以提高課堂效率，提升學(xué)生思維，使教學(xué)更加豐富多彩。對教學(xué)實驗的研究更要突出安全性、科學(xué)性、可操作性、簡潔性。

筆者在常規(guī)實驗中加入數(shù)字化傳感器對碳酸氫鈉溶液和氯化鈣溶液的反應(yīng)進行了實驗探究，借助計算機生成的CO2含量和溶液pH變化圖，讓學(xué)生能夠直觀地觀察到該反應(yīng)的產(chǎn)物。將該實驗運用于高中化學(xué)必修一“碳酸氫鈉和碳酸鈉的鑒別”的教學(xué)中，有利于學(xué)生正確理解碳酸氫鈉與氯化鈣的反應(yīng)，突破了教學(xué)中的難點與疑點。同時，在學(xué)生學(xué)習選修《化學(xué)反應(yīng)原理》“難溶電解質(zhì)的沉淀溶解平衡”內(nèi)容時，帶領(lǐng)學(xué)生計算該反應(yīng)的溶度積常數(shù)，學(xué)生在掌握溶度積常數(shù)相關(guān)知識的同時深入理解碳酸氫鈉與氯化鈣反應(yīng)的本質(zhì)。

傳感技術(shù)作為一種新的教學(xué)輔助手段，能夠?qū)⒃静荒芡瓿傻膶嶒炞優(yōu)楝F(xiàn)實，同時也能夠讓學(xué)生直觀地觀察到肉眼無法直接看到的實驗現(xiàn)象，該技術(shù)即時、準確地呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)并為定量實驗的設(shè)計創(chuàng)造了可能。本實驗將傳感技術(shù)引入課堂教學(xué)，幫助學(xué)生從量的角度認識化學(xué)變化的本質(zhì)，使化學(xué)的科學(xué)性得到了進一步的彰顯。許多學(xué)生對傳感器都具有極大的興趣及熱情，因此，獨特的觀察角度與新穎的實驗操作能夠進一步提升學(xué)生的學(xué)習興趣，也有利于激發(fā)學(xué)生對于如何應(yīng)用傳感器設(shè)計更多定量的實驗來揭示物質(zhì)性質(zhì)的想法。

參考文獻：

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