碳酸鈉溶液與鹽酸反應(yīng)原理探究的裝置改進(jìn)

張磊 王璇 董金水

摘要： 對(duì)文獻(xiàn)中“碳酸鈉溶液與鹽酸反應(yīng)原理探究”實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)的四個(gè)主要部分： 滴加裝置、反應(yīng)裝置、產(chǎn)物檢驗(yàn)裝置和定量分析裝置進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)單一的、

缺乏整體思考的

改進(jìn)往往是有缺陷的。本實(shí)驗(yàn)再次進(jìn)行改進(jìn)，借鑒前人實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的優(yōu)勢(shì)部分，從整體出發(fā)作多元化思考，并添加一定的新元素，設(shè)計(jì)出更安全、更合理、更便捷的新實(shí)驗(yàn)方案。

關(guān)鍵詞： 碳酸鈉溶液; 鹽酸; 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2022）01006405

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題提出

問題與不足永遠(yuǎn)是實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的原點(diǎn)。充分地理解實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)與內(nèi)涵，圍繞要解決的問題而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，才能做出真正有意義的改進(jìn)和創(chuàng)新。在以往的某些案例中，使用特殊的條件、儀器或試劑來進(jìn)行創(chuàng)新，雖起到一定的作用，但往往只是突破一點(diǎn)，解決部分問題，并沒有統(tǒng)籌規(guī)劃整體考慮，導(dǎo)致某些實(shí)驗(yàn)被不斷改進(jìn)。本文以“碳酸鈉溶液與鹽酸反應(yīng)原理探究”為例，簡(jiǎn)析實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)過程中某些關(guān)鍵儀器的優(yōu)勢(shì)與不足，并給出基于新元素的整體思考的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案。

2 文獻(xiàn)研究

以中國(guó)知網(wǎng)為數(shù)據(jù)來源，檢索了《化學(xué)教學(xué)》《化學(xué)教與學(xué)》《化學(xué)教育》《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》《中學(xué)化學(xué)》五種中學(xué)化學(xué)教學(xué)期刊，以及《實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器》《中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備》《教育與裝備研究》三種實(shí)驗(yàn)裝備類期刊。以“碳酸鈉”和“鹽酸”為主題檢索實(shí)驗(yàn)改進(jìn)相關(guān)文獻(xiàn)共100多篇（1986～2020年）[1]。

分析每一篇文章后發(fā)現(xiàn)，大多都存在一個(gè)共同的問題，即缺乏整體思考，往往僅從單一方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，才會(huì)導(dǎo)致后人一改再改。筆者嘗試分析這些特定時(shí)期內(nèi)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案并對(duì)其進(jìn)行了歸納與整理。

3 教材和文獻(xiàn)中的主要改進(jìn)部分

3.1 改進(jìn)一： 滴加鹽酸的裝置——讓反應(yīng)過程“慢”下來

蘇教版教材實(shí)驗(yàn)中利用膠頭滴管向集氣瓶中白色固體粉末加入濃鹽酸，立即產(chǎn)生大量氣泡，說明鹽酸能與Na2CO3反應(yīng);人教版教材中設(shè)計(jì)了如圖1（a）所示的實(shí)驗(yàn)，將氣球中等物質(zhì)的量的Na2CO3和NaHCO3同時(shí)倒入試管，觀察氣球體積的變化快慢，可以得出兩者與鹽酸反應(yīng)時(shí)速率有差別，但還不能說明鹽酸與Na2CO3的反應(yīng)是分步進(jìn)行的。為了讓學(xué)生全面認(rèn)識(shí)Na2CO3、 NaHCO3與鹽酸的反應(yīng)差異，探究其背后的原因，很多教師對(duì)鹽酸的加入方式做了改進(jìn)。2003年李安峰[2]開始使用注射器滴加鹽酸，但只能控制反應(yīng)發(fā)生，不能使兩者均勻反應(yīng);2013年蔡行雯[3]將移液管和內(nèi)塞玻璃球的橡膠管組成滴加裝置，其控制原理類似于堿式滴定管[圖1（b）]，但操作很不便;2015年吳曉紅[4]直接使用酸式滴定管滴加鹽酸，操作方便，但在敞口體系中氣體的檢測(cè)存在困難;此后影響較大的是2016年伍強(qiáng)[5]在傳統(tǒng)氣球?qū)嶒?yàn)的基礎(chǔ)上，使用恒壓滴液漏斗[圖1（c）]，從此在密封體系中恒壓滴液漏斗便成為原理探究的必要裝置，并初步證實(shí)Na2CO3與鹽酸反應(yīng)是分步進(jìn)行的。

3.2 改進(jìn)二： 現(xiàn)象分析與產(chǎn)物檢驗(yàn)——讓反應(yīng)現(xiàn)象更明顯

Na2CO3與鹽酸反應(yīng)是分步進(jìn)行的，第一步CO2-3與H+結(jié)合生成HCO-3，沒有氣體;第二步HCO-3與H+反應(yīng)產(chǎn)生CO2氣體。整理已有鹽酸滴定Na2CO3實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于反應(yīng)現(xiàn)象的改進(jìn)主要有以下兩方面。

一是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的改進(jìn)。2013年廖開勝[6]利用連通器原理完成Na2CO3、 NaHCO3與鹽酸的對(duì)照實(shí)驗(yàn)[圖2（a）]，將氣體的生成轉(zhuǎn)化成水位的變化，現(xiàn)象更明顯，但實(shí)驗(yàn)裝置過于復(fù)雜，操作不當(dāng)則易漏氣;伍強(qiáng)[7]繼承原先的氣球?qū)嶒?yàn)并采用恒壓滴液漏斗逐滴加入稀鹽酸與Na2CO3反應(yīng)[圖2（b）]，先無氣體后產(chǎn)生氣體使氣球膨脹，定性判斷該反應(yīng)的分步進(jìn)行。

二是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。隨著手持技術(shù)的發(fā)展，2012年曾珍[8]利用壓力傳感器來檢測(cè)體系壓強(qiáng)，通過體系壓強(qiáng)變化證明反應(yīng)的分步進(jìn)行;2014年孫衛(wèi)中[9]采用pH傳感器來檢測(cè)反應(yīng)過程中溶液的酸堿性變化，利用滴定曲線解釋其分步反應(yīng)原理;2016年霍愛新[10]通過CO2傳感器來檢測(cè)反應(yīng)過程中CO2濃度變化，驗(yàn)證反? 應(yīng)的分步進(jìn)行。上述數(shù)字化改進(jìn)仍存在一定的弊端，要么僅僅利用壓強(qiáng)或CO2濃度變化曲線將反應(yīng)分步過程以數(shù)字化呈現(xiàn)，雖直觀但不夠深入;要么只是單獨(dú)利用滴定曲線解釋分步原理，對(duì)于必修學(xué)生來說不夠直觀，適用范圍太窄。

3.3 改進(jìn)三： 合適的反應(yīng)裝置——讓反應(yīng)更可控

合適的反應(yīng)裝置需要綜合考慮滴加與產(chǎn)物檢驗(yàn)的要求。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通過氣球與液壓的方式觀察氣體的生成，要求密封性好，常用多孔橡膠塞配合廣口瓶[11]或U型管使用[12]。利用多口燒瓶進(jìn)行反應(yīng)[13][圖3（a）]，可以將加液和檢驗(yàn)融為一體，操作起來比較方便。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，CO2濃度和pH檢測(cè)一般在敞口體系中，燒杯是最常見的選擇。而壓力傳感器需要密閉環(huán)境，為了保證壓力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與靈敏性，必須使用剛性材料防止容器形變，這時(shí)可將注射器與具支試管用橡膠塞連接，具支試管的支管處與壓力傳感器相連，形成一個(gè)較小的密閉空間，適合壓力測(cè)試[14][圖3（b）]。由于CO2濃度和pH檢測(cè)一般在敞口容器中進(jìn)行，而壓力傳感器需要密閉環(huán)境，所以很難設(shè)計(jì)一套實(shí)驗(yàn)裝備將它們統(tǒng)一起來，從多個(gè)視角進(jìn)行相互驗(yàn)證。

3.4 改進(jìn)四： 定量分析的保障——揭示反應(yīng)的本質(zhì)規(guī)律

定性探究說明反應(yīng)是分步進(jìn)行的，但不能確定兩步反應(yīng)中反應(yīng)物間的量比關(guān)系?；瘜W(xué)研究的對(duì)象是物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化，而化學(xué)物質(zhì)無論是否轉(zhuǎn)化都是以確定的形式進(jìn)行的，只有把研究物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化從定性上升到定量的高度，才能揭示出物質(zhì)存在的本質(zhì)和轉(zhuǎn)化規(guī)律[15]。于是對(duì)實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步改進(jìn)——定量改進(jìn)： 用帶刻度的恒壓滴液漏斗代替分液漏斗，改用排水法收集氣體;或通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)配套使用的滴數(shù)傳感器來定量分析，實(shí)時(shí)生成各自的曲線（pHV、 CO2濃度V、 PV）使實(shí)驗(yàn)過程物質(zhì)的量的變化清晰明了;若沒有滴數(shù)傳感器，則控制滴速恒定，利用時(shí)間和滴速計(jì)算液體用量，也可以很好地分析出分步原理及用量關(guān)系。

總而言之，碳酸鈉溶液與鹽酸反應(yīng)原理的探究實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵在于裝置選擇、定量分析、產(chǎn)物檢驗(yàn)等幾個(gè)部分，故單一部分的改進(jìn)往往存在缺陷，不能完美解釋其反應(yīng)原理。筆者選擇以上關(guān)鍵部分再作改進(jìn)，從整體出發(fā)重新思考，添加新的元素，設(shè)計(jì)出更安全、更合理、更便捷的新實(shí)驗(yàn)方案。

4 基于新元素的整體改進(jìn)思考的實(shí)踐研究

4.1 新元素一： 雙支口藍(lán)蓋螺口瓶

作為反應(yīng)容器的雙支口藍(lán)蓋螺口瓶（設(shè)計(jì)后定制）是一種圓底、螺口帶蓋、兩個(gè)支口的小型玻璃儀器，容積約150mL。兩個(gè)支管功能不同，其中一個(gè)向瓶?jī)?nèi)延伸1cm，目的在于模擬微型滴定過程，將反應(yīng)容器與滴加裝置融為一體，另一個(gè)支口則用于導(dǎo)氣。螺口高度約3cm，藍(lán)蓋可以直接旋緊，也可以用于固定內(nèi)置橡膠塞，具備較好的密封性和抗壓性（圖4）。

4.2 新元素二： 雙支口直身廣口瓶

雙支口直身廣口瓶（設(shè)計(jì)后定制）的設(shè)計(jì)主要解決三個(gè)問題： 一是提高反應(yīng)過程中CO2檢測(cè)的靈敏度，CO2密度比空氣大，由反應(yīng)器擴(kuò)散至檢測(cè)器位置需要一定的時(shí)間，采用下進(jìn)的方式可以及時(shí)檢測(cè)CO2;二是為后續(xù)重復(fù)操作提供便利，在不拔出橡膠塞的情況下，可以通過另一支口及時(shí)排出裝置內(nèi)的CO2;三是支口連接壓力傳感器將壓力測(cè)試和CO2濃度檢驗(yàn)巧妙組合（圖5）。

4.3 新元素三： 三通閥的妙用

如圖6所示，醫(yī)用三通閥是一種常見的醫(yī)療配件，主要用來改變裝置內(nèi)液體或氣體的流向，并且在轉(zhuǎn)換過程中無需中斷。由于內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)所以不積存空氣，為真實(shí)壓力的監(jiān)測(cè)提供保障，其特殊優(yōu)勢(shì)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中備受青睞。

通過三通閥連接形成恒壓滴液方式[圖7（a）]，保證滴液順暢，并且兩個(gè)閥門與針筒相連，一個(gè)固定角度控制流速，另一個(gè)控制開或關(guān)，形成自制的滴速控制裝置，為后續(xù)定量分析做好準(zhǔn)備[16][圖7（b）]。整套裝置通過三通閥連接，將多個(gè)實(shí)驗(yàn)作整體化設(shè)計(jì)，巧妙組合成實(shí)驗(yàn)裝置，在密閉體系內(nèi)便可完成Na2CO3和鹽酸的反應(yīng)以及一系列性質(zhì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，包括壓力檢測(cè)、pH檢 驗(yàn)和CO2濃度測(cè)定，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)提高了課堂教學(xué)效率，并且隨開隨用，隨關(guān)隨停，可整體劃一也可分而測(cè)之，提高了檢測(cè)的靈活性。

4.4 新元素四：“四重表征”法的應(yīng)用

“四重表征”教學(xué)模式指的是對(duì)物理或化學(xué)變化從宏觀、微觀、符號(hào)、曲線四重角度進(jìn)行表征以及表征間相互轉(zhuǎn)化的教學(xué)模式。運(yùn)用該模式，在實(shí)驗(yàn)探究過程中融入“四重表征”的教學(xué)策略： 宏觀表征是通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)的問題情境，觀察到反應(yīng)過程中氣體產(chǎn)生的過程與快慢，引發(fā)學(xué)生思考;然后微觀上預(yù)測(cè)CO2-3和H+的反應(yīng)原理，并結(jié)合宏觀現(xiàn)象和數(shù)字化手段從定性和定量的角度進(jìn)行微觀探析;通過數(shù)據(jù)、表格、圖像等的變化探究化學(xué)反應(yīng)的變化過程，將宏觀表征和微觀探析相統(tǒng)一，從而促使學(xué)生理解并通過化學(xué)語(yǔ)言即化學(xué)方程式等表述某一個(gè)反應(yīng)?！八闹乇碚鳌杯h(huán)環(huán)相扣，組成一個(gè)有機(jī)整體（見圖8），有助于認(rèn)識(shí)和理解化學(xué)物質(zhì)及其變化、完善學(xué)生知識(shí)體系、體驗(yàn)科學(xué)探究方法、培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)。

其他儀器和試劑還有磁力攪拌器（帶鐵架臺(tái)）、橡膠塞（3個(gè)）、小刀、橡皮筋、硅膠管若干、蒸餾水等。

4.5 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 根據(jù)裝置要求，選擇配制250mL 0.4mol/L的Na2CO3溶液和250mL 0.4mol/L的稀鹽酸[17];

（2） 如圖9所示組裝儀器，并檢查裝置氣密性;

（3） 向反應(yīng)儀器中加入磁子和20mL 0.4mol/L的Na2CO3溶液，針筒中加入50mL 0.4mol/L的稀鹽酸;

（4） 打開攪拌器和針筒閥門，向Na2CO3溶液中滴加鹽酸同時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)變化;

（5） 當(dāng)各數(shù)據(jù)不再變化時(shí)，停止滴加鹽酸和數(shù)據(jù)采集并作分析。具體數(shù)據(jù)及分析詳見筆者2021年在《化學(xué)教學(xué)》第6期發(fā)表的“基于傳感器檢測(cè)探究鹽酸與碳酸鈉溶液的反應(yīng)”一文。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，整理實(shí)驗(yàn)藥品與儀器。

5 有關(guān)實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)思考

5.1 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要多視角

本實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)教學(xué)中常見的原理探究型實(shí)驗(yàn)，利用中學(xué)常見的化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器很難對(duì)這一原理進(jìn)行較全面的探究，所以需從不同的視角進(jìn)行研究，逐步揭示反應(yīng)的特征和規(guī)律。對(duì)于操作而言，既要簡(jiǎn)便，又要體現(xiàn)反應(yīng)的分步過程;對(duì)于裝置而言，既要保證滴加裝置、反應(yīng)裝置、檢驗(yàn)裝置間相互獨(dú)立，又要將其整體統(tǒng)一于同一密封體系;對(duì)于結(jié)果而言，既要對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行定性分析，又要對(duì)圖表數(shù)據(jù)作定量研究;對(duì)于實(shí)驗(yàn)而言，既是化學(xué)反應(yīng)與現(xiàn)象分析的組合實(shí)驗(yàn)，又是pH、壓力、CO2三者檢測(cè)的互證實(shí)驗(yàn)。從不同的視角感受實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性與辯證性，啟迪學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生興趣，幫助學(xué)生建立網(wǎng)絡(luò)知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)操作能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

5.2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要整體化

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新需注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)約性、科學(xué)性和整體性，做到“整而不亂”。它不是各部分裝置的簡(jiǎn)單串聯(lián)，而是在改進(jìn)原有實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，整合滴加裝置、反應(yīng)裝置、產(chǎn)物檢驗(yàn)裝置和定量分析裝置等，利用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和圖表數(shù)據(jù)等加深學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)原理的認(rèn)識(shí)與理解。在整體思考的基礎(chǔ)上，必需精心分析各個(gè)零散部分的優(yōu)劣，去其糟粕，取其精華，在化零為整中形成解決各種問題的結(jié)構(gòu)化邏輯與思路，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展，充分體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的育人價(jià)值。

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