碳酸氫鈉和碳酸鈉熱穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

譚會(huì)敏 旦增 李偉 倪海鳳 孟德安

摘要：實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的重要內(nèi)容，為使碳酸氫鈉與碳酸鈉熱穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)更好地適應(yīng)課堂教學(xué)，讓學(xué)生更直觀地理解碳酸氫鈉熱分解的產(chǎn)物，更高效地完成碳酸鈉和碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性對(duì)比，本文設(shè)計(jì)了碳酸氫鈉和碳酸鈉熱穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)的兩組改進(jìn)裝置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)直形管類(lèi)裝置實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、對(duì)比效果顯著、產(chǎn)物明確、用時(shí)短、可操作性強(qiáng);用U型管類(lèi)裝置在實(shí)驗(yàn)時(shí)，只要U型管大小規(guī)格合適亦能在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、熱穩(wěn)定性對(duì)比等方面取得良好的效果。

關(guān)鍵詞：碳酸氫鈉;碳酸鈉;熱穩(wěn)定性比較;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1008-0546（2022）03x-0070-04??? 中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.017

一、研究背景

1.課標(biāo)要求

碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)是高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)之一，在普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)課程內(nèi)容中要求了解鈉及其重要化合物的性質(zhì);學(xué)習(xí)活動(dòng)建議中要求進(jìn)行碳酸鈉及碳酸氫鈉性質(zhì)的比較的實(shí)驗(yàn);學(xué)業(yè)質(zhì)量要求能用化學(xué)方程式、離子方程式表示典型物質(zhì)的主要化學(xué)性質(zhì)[1]。

2.教材實(shí)驗(yàn)

在人民教育出版社（2019版）高中化學(xué)教材中，碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)位于必修1第一冊(cè)第二章第一節(jié)。教材實(shí)驗(yàn)如下所示：

實(shí)驗(yàn)要求[2]：分別加熱碳酸鈉和碳酸氫鈉，觀察現(xiàn)象，比較碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示：

該實(shí)驗(yàn)裝置有以下幾點(diǎn)不足：

（1）在進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，兩次實(shí)驗(yàn)將會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，且不能同時(shí)對(duì)比碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性。

（2）只能觀察到碳酸氫鈉發(fā)生了分解，有二氧化碳產(chǎn)生，但是不能觀察到產(chǎn)物水及碳酸鈉，也不能證明碳酸鈉在一定的溫度下未發(fā)生熱分解。

3.已有的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置

伍強(qiáng)[3]為了使碳酸鈉、碳酸氫鈉固體的熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)具有更好的對(duì)比性、探究性、直觀性，設(shè)計(jì)了油浴加熱碳酸鈉和碳酸氫鈉的對(duì)比試驗(yàn)，裝置如圖2所示。該裝置解決了不能同時(shí)加熱兩種物質(zhì)的現(xiàn)狀，能在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中完成對(duì)比，并可以測(cè)定碳酸氫鈉分解的溫度。但是增加了實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性，耗時(shí)較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)裝置也很復(fù)雜。且實(shí)驗(yàn)只能檢測(cè)出是否有二氧化碳產(chǎn)生，不能檢驗(yàn)其他產(chǎn)物。不利于課堂實(shí)驗(yàn)演示或者進(jìn)行學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)。

周漢芳[4]曾對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，裝置圖如圖3所示，實(shí)驗(yàn)裝置很好地解決了耗時(shí)的問(wèn)題，可以一次性加熱兩種物質(zhì)，亦可進(jìn)行現(xiàn)象對(duì)比，但實(shí)驗(yàn)裝置需要定制，且實(shí)驗(yàn)裝置沒(méi)有對(duì)產(chǎn)物（水、碳酸鈉）進(jìn)行驗(yàn)證。

徐建菊[5]等人在對(duì)碳酸氫鈉及碳酸鈉的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)二氧化碳傳感器測(cè)試生成的二氧化碳的量得到結(jié)論：在用酒精燈加熱時(shí)，碳酸氫鈉不穩(wěn)定易分解，由于碳酸鈉分解的溫度至少需要1300℃，所以碳酸鈉穩(wěn)定不易分解。

黃金泉[6]等人用尼龍繩將兩只硬質(zhì)試管綁在一起，分別加入碳酸鈉和碳酸氫鈉進(jìn)行加熱分解，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，實(shí)驗(yàn)裝置適用性強(qiáng)，也能很好地完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，但是不能保證兩種物質(zhì)均良好受熱。

高中階段的學(xué)生具有高度的好奇心，可視化地驗(yàn)證產(chǎn)物并對(duì)比兩者熱穩(wěn)定性的差別，不但能提高學(xué)生探究問(wèn)題的興趣和科學(xué)態(tài)度的嚴(yán)謹(jǐn)性，而且能明確碳酸氫鈉熱分解的產(chǎn)物，使學(xué)生正確的用化學(xué)方程式表示。為了使學(xué)生明顯觀察到碳酸氫鈉分解的產(chǎn)物，高效安全地完成碳酸鈉和碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)，使裝置安全性更強(qiáng)，本文對(duì)碳酸氫鈉熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩組改進(jìn)裝置。

二、實(shí)驗(yàn)裝置

1.實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)用品

實(shí)驗(yàn)儀器：中間隔開(kāi)的U型管（8mm*80mm和13mm*130mm）、中間隔開(kāi)的玻璃管（13mm*8cm）、直形玻璃管（13mm*20cm）、橡膠塞、橡膠管、玻璃管、燒杯、酒精燈。

實(shí)驗(yàn)藥品：碳酸氫鈉、無(wú)水碳酸鈉、無(wú)水硫酸銅、澄清石灰水、氯化鈣溶液。

對(duì)碳酸鈉的處理：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)碳酸鈉加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生水，從元素守恒的角度來(lái)看碳酸鈉中不含有氫元素，加熱不會(huì)產(chǎn)生水，那水又是從哪里來(lái)的呢？碳酸鈉易與空氣中的水蒸氣結(jié)合形成Na₂CO₃·xH₂O，碳酸鈉的結(jié)晶水和物熱分解產(chǎn)生水和碳酸鈉。若溫度達(dá)到1227℃或者1203℃時(shí)會(huì)變成氧化鈉和二氧化碳，這是酒精燈加熱不能達(dá)到的溫度[7]。故水為Na₂CO₃·xH₂O熱分解產(chǎn)物。對(duì)基礎(chǔ)一般的學(xué)生，為使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，學(xué)生不產(chǎn)生認(rèn)知混亂，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量使用無(wú)水碳酸鈉，若沒(méi)有無(wú)水碳酸鈉可以在實(shí)驗(yàn)之前先將碳酸鈉在酒精燈上加熱除去碳酸鈉的結(jié)晶水。對(duì)于基礎(chǔ)較好，好奇心強(qiáng)的學(xué)生，可以在實(shí)驗(yàn)之后讓學(xué)生分析探索水的來(lái)源。

2.實(shí)驗(yàn)原理

（1）碳酸氫鈉加熱分解：

（2）將二氧化碳通入澄清石灰水中產(chǎn)生白色沉淀，實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳的檢驗(yàn)：

CO₂+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+H₂O

（3）向碳酸鈉中加入氯化鈣溶液產(chǎn)生白色沉淀，此現(xiàn)象可用于檢驗(yàn)碳酸鈉：

Na₂CO₃+CaCl₂=CaCO₃↓+2NaCl

（4）水能使無(wú)水硫酸銅變藍(lán)，此反應(yīng)用于水的檢驗(yàn)：

CuSO₄+5H₂O=CuSO₄·5H₂O

3.實(shí)驗(yàn)裝置

（1）U型管類(lèi)裝置

U型管類(lèi)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖5所示，具體實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下：

①向U型管的兩側(cè)分別加入一定量的碳酸鈉和碳酸氫鈉粉末，連接固定好裝置。

②用酒精燈加熱U型管下側(cè)。

③移出導(dǎo)管，停止加熱。待U型管冷卻后，向U型管中加蒸餾水溶解碳酸納和碳酸氫鈉熱分解產(chǎn)物，形成飽和溶液。取出飽和溶液再加入氯化鈣溶液。

U型管類(lèi)裝置實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表1所示：

U型管類(lèi)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，只要調(diào)節(jié)好U型管的規(guī)格大小，便可以觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以清楚地檢驗(yàn)產(chǎn)物并比較兩者的熱穩(wěn)定性。裝置a若使用型號(hào)較小的隔開(kāi)的U型管時(shí)，可以觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但換用規(guī)格較大的U型管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，不能觀察到無(wú)水硫酸銅變藍(lán)，且U型管有冷凝水回流，易引起試管炸裂。裝置b將裹有無(wú)水硫酸銅的棉花放在U型管的上側(cè)，去掉裝有無(wú)水硫酸銅的玻璃管。不僅可以很好地解決冷凝水回流的問(wèn)題而且還能觀察到裹有無(wú)水硫酸銅的棉花變藍(lán)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。但若采用裝置b進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，U型管不宜過(guò)小，否則高溫會(huì)導(dǎo)致棉花燃燒。

（2）直形管類(lèi)裝置

直形管類(lèi)裝置如圖6所示，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①向20cm長(zhǎng)的玻璃管的中間位置塞入橡膠塞（如裝置6b所示）。

②向?qū)Ч軆蓚?cè)的中間位置分別加入一定量的碳酸鈉和碳酸氫鈉粉末，連接固定好裝置。

③加熱直形管兩側(cè)的碳酸鈉和碳酸氫鈉（酒精燈位置如裝置圖6所示）。

④移出導(dǎo)管，停止加熱。分別取出兩側(cè)的產(chǎn)物，加入蒸餾水溶解，往飽和溶液中加入氯化鈣溶液。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見(jiàn)表2。

結(jié)果表明，直形管類(lèi)裝置實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，用時(shí)較短，學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)明了碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性。裝置6a實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但裝置需要定制或者用酒精噴燈燒制，這增大了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度。裝置6b選擇了橡膠塞代替中間的玻璃隔板，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中橡膠塞不但有效起到了隔離的作用，也未燃燒。使得裝置不僅更加簡(jiǎn)單而且裝置可操作性也很好。

兩組裝置均實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能很好地對(duì)兩物質(zhì)的熱穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比，并明確碳酸氫鈉的產(chǎn)物，但是U型管類(lèi)裝置為獲得明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，必須對(duì)U型管的規(guī)格大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，且裝置需要定制。直形管類(lèi)裝置6b則可以直接進(jìn)行組裝，裝置更加簡(jiǎn)單。

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）裝置實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能高效的對(duì)比碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)對(duì)所有的產(chǎn)物都進(jìn)行了驗(yàn)證能使學(xué)生更加直觀地理解碳酸氫鈉的熱分解產(chǎn)物，促使學(xué)生更好的掌握碳酸氫鈉熱分解的化學(xué)反應(yīng)方程式，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性。

（2）物質(zhì)受熱更加均勻，一次實(shí)驗(yàn)完成對(duì)兩物質(zhì)的熱穩(wěn)定性探究，耗時(shí)更短，提高了實(shí)驗(yàn)完成的效率。

（3）巧用了橡膠塞、脫脂棉花使得實(shí)驗(yàn)裝置不僅更加簡(jiǎn)單，不需要定制，便于推廣，且可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

（4）對(duì)碳酸鈉的處理可以減少實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)基礎(chǔ)較弱學(xué)生的干擾性，也可以培養(yǎng)基礎(chǔ)較好的學(xué)生的科學(xué)探究能力。

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