再議碳酸鈉、碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性比較實驗的改進

黃金泉 楊曉東

摘要：在文獻研究的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計一種較為簡便且易操作的實驗方法：取2支硬質(zhì)試管，試管口同方向上下錯位10cm左右，用扎帶將它們捆扎在一起，往兩試管中分別加入碳酸氫鈉、碳酸鈉固體，各自連接帶導(dǎo)管的單孔橡皮塞，將兩導(dǎo)管一一通入澄清石灰水中。加熱大約2分鐘后即可觀察到實驗現(xiàn)象。該實驗裝置實用性強、成功率高，適用于課堂演示和學(xué)生分組實驗。

關(guān)鍵詞：碳酸氫鈉;熱穩(wěn)定性;實驗改進;硬質(zhì)試管;澄清石灰水

1問題的提出

“碳酸鈉與碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性比較”實驗是現(xiàn)行人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《化學(xué)1·必修》第56頁中一個重要的演示實驗。該實驗是采用一套相同的裝置通過同時、分別加熱碳酸鈉和碳酸氫鈉來完成的，應(yīng)該說其實驗現(xiàn)象是明顯的。但這樣操作需要做兩個實驗，分兩處加熱，費時耗力，且不能保證兩處實驗的加熱環(huán)境完全相同。有些版本的教材對該演示實驗沒作安排，但在新授課過程中，大多數(shù)教師都會對該實驗進行適當(dāng)?shù)难a充。筆者查閱相關(guān)文獻，大多是采用“套管實驗”來比較碳酸鈉與碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性，如圖1所示。套管實驗固然對比性強，現(xiàn)象明顯，且只需加熱一次，但也有諸多不便因素，比如實驗裝置組裝起來比較麻煩，內(nèi)試管的支撐僅靠一根玻璃導(dǎo)管并不牢固，容易折斷。因此，該裝置的實用性受到了一定的限制。為此，筆者將“碳酸鈉與碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性比較”的實驗進行了再改進，愿與同行們探討，以求拋磚引玉。

2對一些改進的實驗裝置的評述

帶著疑問，筆者查閱了近年的相關(guān)文獻資料。王開華和周彥老師，在設(shè)計方案時充分考慮到實用性和對比性，既保證了加熱環(huán)境相同，增強了比對性，又體現(xiàn)了實驗裝置的簡便性，實驗儀器少，組裝方便。其亮點是制作了一個中問隔開的u形管（如圖2所示）。按作者的說法，該隔開u形管兩側(cè)管子沒有任何氣體或物質(zhì)交換。但筆者對改進后的這套實驗裝置有點想法，愿與兩位老師商榷：如何能做到在u形管的中間進行隔離，使兩側(cè)管子沒有任何氣體或物質(zhì)交換？用什么材料能達到如此密封的程度？文章中并未明確指出，推測對大多數(shù)教師而言，恐怕很難做到這一點。除非特地去定制這種儀器，況且課前準(zhǔn)備起來費時耗力。既然不易準(zhǔn)備，則該裝置的實用性就會大打折扣，在實際教學(xué)中就難以被教師推廣應(yīng)用。

由陳立銘、李德前兩利用長柄V型玻璃管設(shè)計實驗裝置如圖3所示，將2支長柄V型玻璃管并列固定，實驗時在兩支玻璃管中問用酒精燈加熱，加熱環(huán)境可認(rèn)為相同，增強了Na2CO3、NaHC03熱穩(wěn)定性實驗的對比性。但筆者覺得，這種創(chuàng)新方案設(shè)計實用性并不強：首先，這種儀器不是實驗室常用儀器，有多少教師會為了做這個對比實驗特地去將硬質(zhì)玻璃管熔成這樣的形狀？除非是為了開設(shè)公開課或特地去定制這種儀器。其次，在水平放置的玻璃管中加入Na2CO3和NaHC03固體至適當(dāng)?shù)奈恢茫僮麟y度較大且費時，因為玻璃管管徑太小。其三，澄清石灰水的量太少，使澄清石灰水變渾濁現(xiàn)象不明顯，導(dǎo)致坐在幾米外的學(xué)生難以觀察到實驗現(xiàn)象;倘若增加澄清石灰水的量，加熱時又會造成石灰水從玻璃管中噴出，使實驗失敗。

伍強老師設(shè)計的創(chuàng)新方案，實驗裝置如圖4所示。其方法是先制作2根一端封閉的玻璃彎管，將Na2CO3和NaHCO3固體分別裝入一端封閉的玻璃彎管中，另一端分別通入澄清石灰水，用食用油油浴加熱，將溫度計插入食用油中。點燃酒精燈加熱約2分鐘，食用油溫度升高至130～140℃時，右側(cè)的澄清石灰水無明顯現(xiàn)象，左側(cè)的澄清石灰水變渾濁。從而證實在相同溫度下Na2CO3固體不分解，而NaHC03固體分解生成CO2、Na2CO3和H20。應(yīng)該說伍老師的設(shè)計理念非常新穎：一是加熱溫度相同，實驗對比性強，能增強學(xué)生的實驗探究意識;二是實驗現(xiàn)象明顯，便于學(xué)生觀察且只需一次加熱;三是實驗采用油浴加熱，能準(zhǔn)確控制溫度，并能拓展學(xué)生的知識面。但這種方案設(shè)計的實用性也不強，不易推廣。這是由于，一方面整個裝置過于復(fù)雜，光用于固定的鐵夾就要有4個，還要用到食用油和溫度計等，實驗準(zhǔn)備起來同樣費時耗力;另一方面，實驗前需要特地準(zhǔn)備2根一端封閉的玻璃彎管，這種玻璃彎管的準(zhǔn)備操作難度大，需要將彎管的一端管口在酒精噴燈火焰上熔化封閉而成，工作量大，況且要將Na2CO3和NaHC03固體分別推送到封閉的玻璃彎管一端底部也不是一件易事，按伍老師的說法要借助塑料飲料吸管作為工具才得以實現(xiàn)。

3“碳酸鈉、碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性比較實驗”的再改進

基于選用常規(guī)實驗儀器且不額外增添其他儀器的理念，為使該實驗的對比性更好，成功率更高，現(xiàn)象更明顯，操作更簡便，實用性更強。筆者對“碳酸鈉、碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性比較實驗”進行了再改進。

3.1具體操作步驟

取2支大小相同的硬質(zhì)試管和2根尼龍扎帶，如圖5-a所示。將兩試管管口同方向錯位放置，錯位距離大致10cm左右，然后用自鎖式尼龍扎帶在離試管口三分之一處將這兩試管緊緊捆扎在一起，如圖5-b所示。分別連接帶導(dǎo)管的單孔橡皮塞，并將導(dǎo)管一一通入澄清石灰水中。用鐵夾將兩試管固定在鐵架臺上，調(diào)節(jié)好高度，往下面的試管底部加入一定量的碳酸鈉固體，往上面的試管底部加入一定量的碳酸氫鈉固體，如圖5-c所示。先對盛碳酸鈉固體的試管（下面一個）底部預(yù)熱后再集中加熱，利用酒精燈的余熱間接加熱盛有碳酸氫鈉固體的試管（上面一個）底部，加熱1.5min后，從碳酸氫鈉固體導(dǎo)出的那份澄清石灰水開始變渾濁，且2min后渾濁程度明顯增強，而從碳酸鈉固體導(dǎo)出的那份澄清石灰水始終無明顯變化。兩者實驗現(xiàn)象差異性明顯，對比性強，非常具有說服力。

3.2實驗改進后的優(yōu)缺點

優(yōu)點：實驗儀器取材簡單，都是實驗室里的常規(guī)儀器，尼龍扎帶也是學(xué)校電工房或總務(wù)處等部門常年必備物資，無需特意提前準(zhǔn)備。實驗操作簡便，只需一次加熱且實驗時問短，加熱時2支試管底部產(chǎn)生的溫差較大，對比性和實用性強，成功率高，很適合在課堂上演示或?qū)W生分組實驗，易于推廣。

缺點：把盛有不易分解的碳酸鈉固體的試管放在下面，而把盛有易分解的碳酸氫鈉固體的試管放在上面，這是在碳酸氫鈉比碳酸鈉容易分解的前提下設(shè)計的，實驗預(yù)設(shè)性太強，缺乏探究性。

對“碳酸鈉、碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性比較實驗”進行再改進，不僅增強了實驗效果，體現(xiàn)了實用性和簡便性，有利于一線教師推廣應(yīng)用，而且還能啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。