運用化學數(shù)字化實驗，突破NaHCO3與堿反應(yīng)學習難關(guān)

徐浩年　徐從麗　周韋俊

摘要：NaHCO3作為酸式鹽的典型代表物，理解它與堿[如Ba（OH）2]反應(yīng)的原理是學生學習中的一個難點。本文從學生學習NaHCO3與堿反應(yīng)的學習障礙出發(fā)，經(jīng)過分析得出結(jié)論：學生最大的學習障礙是傳統(tǒng)化學實驗中沒有與微觀反應(yīng)過程對應(yīng)的宏觀現(xiàn)象表征，無法為教師引導學生進行微觀探析活動提供直觀有力的證據(jù)支持。故而設(shè)計化學數(shù)字化實驗來探究NaHCO3與堿反應(yīng)的原理，得到反應(yīng)混合溶液的pH變化曲線，增強學生的曲線表征以及宏微結(jié)合解決問題的能力，幫助學生突破學習中的難點，從而使學生能夠順利建構(gòu)NaHCO3與堿[如Ba（OH）2]反應(yīng)的原理。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗 碳酸氫鈉 pH實驗探究

NaHCO3是人教2003版必修1第三章金屬及其化合物中鈉的重要化合物部分的教學內(nèi)容。NaHCO3既是鈉鹽，也是學生接觸的第一種酸式鹽，是弱酸酸式鹽代表物，它的化學性質(zhì)主要跟HCO-3有關(guān)，對于它的性質(zhì)的學習將為學生今后理解酸式鹽的通性奠定基礎(chǔ)。多年的教學經(jīng)驗告訴我，NaHCO3與堿[如Ba（OH）2]的反應(yīng)是學生學習中的一個難點，僅憑傳統(tǒng)的實驗和教師的講解，大多數(shù)學生無法真正理解和接受NaHCO3與堿反應(yīng)的本質(zhì)和原理，在解決問題時經(jīng)常出錯。如何突破這一難點，促進學生對知識的理解，進而形成解決問題的能力呢？本文通過分析學生學習NaHCO3與堿反應(yīng)存在困難的原因，找到化學數(shù)字化實驗這一現(xiàn)代化實驗方法來幫助學生突破學習中的難點。

一、NaHCO3與堿反應(yīng)學習難點成因

1.學生認知度低。

雖然學生在初中化學中已經(jīng)學習過NaHCO3，但當時僅僅介紹了NaHCO3與酸的反應(yīng)及應(yīng)用，NaHCO3的其他性質(zhì)，學生在初中化學中并沒有學習過，而且初中化學并不要求學生學習酸式鹽，所以絕大部分學生不知道NaHCO3屬于酸式鹽，當NaHCO3以酸式鹽的身份出現(xiàn)時，對剛進入高一不久的學生來說是高度陌生的，這成為學生學習NaHCO3的一個認知障礙。

2.教材基礎(chǔ)理論知識滯后。

我們教師都知道NaHCO3與堿反應(yīng)的本質(zhì)是HCO-3電離出的H+與堿中的OH-反應(yīng)。但高一的學生僅僅知道NaHCO3電離成Na+和HCO-3，必修一教材上通過科學探究，學生了解到NaHCO3溶液呈現(xiàn)堿性，那么呈堿性的NaHCO3溶液再與堿[如Ba（OH）2]溶液的反應(yīng)，其反應(yīng)的原理和實質(zhì)是學生難以理解的，弱酸的酸式酸根的電離和水解要在選修4《化學反應(yīng)原理》模塊中才進行學習，教材在相關(guān)學習內(nèi)容的安排上跨度過大，高一的學生沒學到HCO-3的電離和水解是一種競爭反應(yīng)，因此，學生是不可能想到HCO-3中的氫元素能以H+的形式參與堿的反應(yīng)的，即使教師直接告訴學生，學生只是單純的接受知識，不了解內(nèi)因，不能較全面的分析該化學反應(yīng)的實質(zhì)。這就是學生學習NaHCO3與堿反應(yīng)的理論障礙。

3.教學方法上缺少方便有效的直觀教學手段。

將NaHCO3溶液與堿溶液[NaOH、Ba（OH）2等]相混合的傳統(tǒng)實驗往往沒有現(xiàn)象或只有產(chǎn)生沉淀的現(xiàn)象，無法體現(xiàn)出HCO-3中的H+與堿中的OH-反應(yīng)這一微觀本質(zhì)，教師也就缺少引導學生進行由表及里地推理的證據(jù)。這就是學生學習NaHCO3與堿反應(yīng)的方法障礙。

二、應(yīng)用化學數(shù)字化實驗幫助學生突破學習難點

基于以上對學生學習NaHCO3與堿反應(yīng)的困難分析可知，突破學生學習難點的關(guān)鍵在于用直觀的手段向?qū)W生呈現(xiàn)HCO-3中的H+與堿中的OH-反應(yīng)這一微觀過程，從而為學生進行微觀探析活動，理解、接受NaHCO3與堿反應(yīng)的原理提供證據(jù)。

數(shù)字化實驗簡稱DIS（Digital Information System）實驗，是指通過傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件組成的能夠自動實時地采集數(shù)據(jù)，并以曲線（圖表）的形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化的新型實驗技術(shù)手段。化學數(shù)字化實驗?zāi)軐⑽⒂^的化學變化數(shù)據(jù)化（將微觀的化學變化轉(zhuǎn)化為某一對應(yīng)物理量的數(shù)據(jù)變化），并將數(shù)據(jù)曲線化（連續(xù)測量的數(shù)據(jù)以曲線的形式呈現(xiàn)），從而將難以感知（觀察）的微觀過程以曲線的形式直觀地呈現(xiàn)在學生面前，為學生的微觀探析活動和邏輯推理過程提供有力的證據(jù)支撐。

NaHCO3與堿反應(yīng)時OH-參與反應(yīng)這一微觀事實表明，當向一定體積一定濃度的堿溶液[如Ba（OH）2溶液]中滴加一定濃度的NaHCO3溶液時，反應(yīng)混合溶液的pH會隨著OH-參與反應(yīng)而減小，當然加入NaHCO3溶液的稀釋作用也會使反應(yīng)混合溶液的pH減小，如果扣除稀釋作用的影響后反應(yīng)混合溶液的pH仍然減小，則反應(yīng)混合溶液pH的減小即可作為OH-參與反應(yīng)的證據(jù)。利用化學數(shù)字化實驗可以很方便地實現(xiàn)反應(yīng)混合溶液pH變化的測定。下面就以Ba（OH）2溶液和NaHCO3溶液的反應(yīng)為例說明用化學數(shù)字化實驗引導學生探究、建構(gòu)NaHCO3與堿反應(yīng)的原理的過程。

實驗1：取 1 mL 0.01 mol/L Ba（OH）2溶液放入試管，向其中滴加0.1 mol/L NaHCO3溶液。

在實驗1中，學生可以觀察到產(chǎn)生白色沉淀，并能推出白色沉淀是BaCO3。但學生疑惑：NaHCO3溶液中并沒有CO2-3，BaCO3是如何產(chǎn)生的？

接下來設(shè)計化學數(shù)字化實驗來為學生解惑。

測NaHCO3與 Ba（OH）2反應(yīng)時溶液pH變化的數(shù)字化實驗裝置如圖1所示：

實驗2：利用圖1裝置，在攪拌的情況下，向100 mL 0.01 mol/L Ba（OH）2溶液中加入10 mL 0.1 mol/L NaHCO3溶液，用威尼爾pH傳感器監(jiān)測反應(yīng)過程中溶液pH的變化。待溶液pH保持不變后，停止攪拌，等上層溶液澄清之后，向溶液中再加入10 mL 0.1mol/LNaHCO3溶液，繼續(xù)用威尼爾pH傳感器監(jiān)測反應(yīng)過程中溶液pH的變化。

實驗3：利用圖1裝置，向100 mL 0.01 mol/L Ba（OH）2溶液中分兩次分別加入10 mL蒸餾水，用威尼爾pH傳感器監(jiān)測稀釋過程中溶液pH的變化。

從圖3 pH變化曲線可知，100 mL 0.01mol/L Ba（OH）2溶液中加入20 mL蒸餾水，溶液的pH基本不變，說明向100 mL 0.01 mol/L Ba（OH）2溶液中加入20 mL 0.1 mol/L NaHCO3溶液，由于稀釋作用對溶液pH的影響可以忽略不計。則圖2 曲線中兩次pH減小，均是由OH-參與反應(yīng)造成的。結(jié)合NaHCO3電離成Na+和HCO-3知， OH-是與HCO-3反應(yīng)，再結(jié)合產(chǎn)生BaCO3這一反應(yīng)事實可確定OH-與HCO-3反應(yīng)的產(chǎn)物是CO2-3和H2O。這樣，即可順其自然地歸納出NaHCO3與Ba（OH）2反應(yīng)的原理：HCO-3與OH-反應(yīng)生成CO2-3和H2O，CO2-3再與Ba2+結(jié)合成BaCO3。再結(jié)合離子代表一類物質(zhì)的觀點，即可推導出碳酸氫鹽與堿反應(yīng)的模式為：HCO-3先與OH-反應(yīng)生成CO2-3和H2O，CO2-3再與陽離子結(jié)合成碳酸鹽，結(jié)合時優(yōu)先考慮形成難溶性碳酸鹽。

在得出NaHCO3與Ba（OH）2反應(yīng)的原理之后，可結(jié)合pH變化曲線繼續(xù)引導學生分析出第二次加入NaHCO3溶液反應(yīng)混合溶液的pH繼續(xù)減小的原因是第一次加入與Ba（OH）2等物質(zhì)的量的NaHCO3時，由于HCO-3的物質(zhì)的量只有OH-的一半，OH-沒有反應(yīng)完，第二次加入NaHCO3后，OH-繼續(xù)被HCO-3消耗。引導學生定量地分析NaHCO3與Ba（OH）2的反應(yīng)，從而把握NaHCO3與多元堿反應(yīng)中存在量的關(guān)系的本質(zhì)。

《普通高中課程標準》（2017版）強調(diào)培養(yǎng)和發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)是教師教學的出發(fā)點和落腳點。宏觀辨識和微觀探析是化學學科核心素養(yǎng)之一，而進行微觀探析往往是教師進行教學的難點和學生進行學習的難點，這需要宏觀的實驗現(xiàn)象、直觀的數(shù)據(jù)作為證據(jù)支撐。而直觀、方便正是化學數(shù)字化實驗的優(yōu)點，隨著化學數(shù)字化實驗的普及，以化學數(shù)字化實驗為基礎(chǔ)進行實驗探究教學和引導學生結(jié)合化學數(shù)字化實驗提供的數(shù)據(jù)（曲線）進行微觀探析活動將成為常態(tài)。

參考文獻：

[1]周艷芳.數(shù)字化探究實驗在中學化學教學中的應(yīng)用探析[J].課程教材教學研究（中教研究），2013（z4）：4849.

[2]張斌玉.數(shù)字化實驗與中學化學教學融合的實踐研究[D].合肥師范學院，2016.