“氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)”實驗的簡約化設(shè)計

姜跟華

摘要：氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)，通常沒有明顯的實驗現(xiàn)象，學(xué)生易產(chǎn)生“實證”盲點。在分析已有實驗設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，不斷實踐與總結(jié)，設(shè)計了簡約化實驗方案，取得了非常好的實驗效果。

關(guān)鍵詞：氫氧化鈉：二氧化碳；簡約化：設(shè)計

文章編號：1008-0546（ 2022 ）11x-0087-03

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.11x.022

一、問題提出

“氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)”是氫氧化鈉的化學(xué)性質(zhì)之一，更是初中化學(xué)非常重要的知識點。人教版九年級化學(xué)下冊56頁指出：“氫氧化鈉在空氣中不僅吸收水分，還會發(fā)生下列反應(yīng)2NaOH+CO2= Na2CO3+H2O”。它對幫助學(xué)生認(rèn)識“氫氧化鈉必須密封保存”“堿可以與某些非金屬氧化物反應(yīng)”等有著重要的意義。然而教學(xué)時卻發(fā)現(xiàn)一些問題：（1）教材沒有編排相關(guān)探究實驗，而是直接給出化學(xué)方程式，減少了學(xué)生自主探究的機(jī)會，不利于學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的提升，較難體現(xiàn)學(xué)科的特點和育人價值；（2）將二氧化碳?xì)怏w通人到氫氧化鈉溶液中，通常沒有明顯的實驗現(xiàn)象，學(xué)生易產(chǎn)生“實證”盲點，失去了“實驗是化學(xué)最高法庭”的本真；（3）遵循教材、教參意圖，以氫氧化鈣為參照物，通過類比方式來講解該反應(yīng)原理，學(xué)生缺乏直觀的感性認(rèn)知，教學(xué)效果不理想。實驗是化學(xué)的靈魂，探究是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要方式，如何設(shè)計創(chuàng)新實驗，將氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)現(xiàn)象由“看不見”變?yōu)椤翱吹靡姟?？幫助學(xué)生理解和掌握該反應(yīng)原理，成為筆者迫切想解決的問題。

二、已有設(shè)計

化學(xué)變化不但生成其他物質(zhì)，而且還伴隨著能量的變化，這種能量變化常表現(xiàn)為吸熱、放熱、發(fā)光等。上述可觀察到的現(xiàn)象，常常可以幫助我們判斷物質(zhì)是否發(fā)生了化學(xué)變化。[1]筆者通過中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫等平臺查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)很多教師對該反應(yīng)進(jìn)行了研究，設(shè)計的實驗方案創(chuàng)新選出，令人回味，其設(shè)計歸納起來可以分為以下幾種。

1．從氣體壓強(qiáng)變化設(shè)計實驗

利用密閉容器內(nèi)氣體被消耗而導(dǎo)致壓強(qiáng)減小的原理，來設(shè)計有明顯現(xiàn)象的實驗，是目前最主要的實驗設(shè)計方向。

謝丹敏和湯中華用向上排空氣法將U型管中收集滿二氧化碳，塞上橡皮塞，然后將U型管兩側(cè)分別插入等體積的水和NaOH溶液中，再用鑷子取下橡皮塞，可觀察到左側(cè)玻璃管內(nèi)液面比右側(cè)液面高（如圖1所示）。[2]

褚衍偉利用了壓強(qiáng)與沸點的關(guān)系設(shè)計實驗。他將20 mL的水注入到A錐形瓶中，振蕩后觀察無現(xiàn)象，然后又將20 mL濃NaOH溶液迅速注入到錐形瓶A中，振蕩，觀察到B錐形瓶中的水劇烈沸騰起來（如圖2所示）。[3]

通常情況下，1體積水只能溶解1體積二氧化碳。陳立銘和李德前將5 mL 10%的氫氧化鈉溶液慢慢注射到集氣瓶中，發(fā)現(xiàn)至少有50 mL的二氧化碳?xì)怏w被吸收，除去5 mL水吸收的5 mL二氧化碳?xì)怏w，顯然約有45 mL的二氧化碳?xì)怏w是被氫氧化鈉吸收的（如圖3所示）。[4]

此外還有的研究者用瓶子變癟法、氣球法、噴泉法、瓶吞雞蛋法等來設(shè)計實驗。[5]

2．從氫氧化鈉濃度變化設(shè)計實驗

突破固定思維束縛，從另一反應(yīng)物人手，檢驗OH一離子濃度變化也成為研究者的設(shè)計思路。

耿元元將10%的NaOH溶液滴入到百里酚酞指示劑中，直至溶液恰好呈藍(lán)色，然后把藍(lán)色溶液噴在白色濾紙上，把濾紙放入盛滿CO2的集氣瓶中，搖晃，可觀察到濾紙由藍(lán)色變成無色；則證明NaOH與CO2發(fā)生了反應(yīng)（如圖4所示）。[6]

夏琴等向一定濃度的紫甘藍(lán)汁稀釋液中加入200 mL 0.1 mol-L -1的氫氧化鈉溶液，然后將pH傳感器浸入混合液中，連接數(shù)據(jù)采集器，投入幾塊干冰，測定溶液的pH變化，通過觀察溶液酸堿度和溶液顏色的變化，從定性和定量二個維度來證明氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生了反應(yīng)（如圖5所示）。[7]

3．碳酸鈉產(chǎn)物檢驗設(shè)計實驗

化學(xué)變化的主要特征是有新物質(zhì)生成。利用碳酸鈉與氫氧化鈉性質(zhì)的不同，檢驗溶液中是否有碳酸鈉存在，從而確定是否發(fā)生了反應(yīng)，也成為許多研究者設(shè)計的方向。

楊光梅等利用碳酸鈉易溶于水而難溶于酒精的性質(zhì)，將二氧化碳依次通過NaOH的水溶液和NaOH酒精溶液中，發(fā)現(xiàn)NaOH水溶液無明顯現(xiàn)象，而NaOH的酒精溶液中卻可以看到白色渾濁，從而證明有新物質(zhì)生成，真正實現(xiàn)了反應(yīng)本身由“無現(xiàn)象”變?yōu)椤坝鞋F(xiàn)象”（如圖6所示）。[8]

趙永勝和朱莉?qū)⒍趸細(xì)怏w通入氫氧化鈉溶液中一會兒，然后加熱上述溶液，冷卻，再向溶液中滴加足量稀鹽酸，可觀察到氣泡產(chǎn)生，驗證有碳酸鈉存在，從而確定氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生了反應(yīng)（如圖7所示）；此外，他們還提出可以用Ca（OH）2或BaCl2溶液來檢驗碳酸鈉是否存在。[5]

縱觀上述實驗設(shè)計，各位研究者在實驗可視化方面都做出了積極的探索。筆者同時也發(fā)現(xiàn)了一些問題：（1）有些實驗操作比較繁瑣，不簡約，不利于師生操作；（2）有些實驗設(shè)想與實際情形存在差距，成功率偏低（如褚衍偉的液體沸騰設(shè)計等）；（3）有些實驗使用的儀器普及率不高，在實際教學(xué)中難以被借鑒（如數(shù)字化實驗等）；（4）有些實驗設(shè)計遠(yuǎn)離人教版的知識體系（此時還未學(xué)習(xí)中和反應(yīng)和鹽的化學(xué)性質(zhì)），未考慮到學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和認(rèn)知能力，為了“設(shè)計”而設(shè)計（如使用酸、堿或鹽來檢驗碳酸鈉等）?；谝陨戏治雠c思考，筆者有了設(shè)想：能否從生成物水的視角來設(shè)計實驗?zāi)?？反?yīng)通常伴隨著能量的變化，能否從能量的視角證明反應(yīng)的發(fā)生呢？為此，筆者進(jìn)行了實驗設(shè)計，并不斷實踐與優(yōu)化，最終形成了如下簡約化的實驗，實驗效果令人滿意。

三、“氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)”實驗的簡約化設(shè)計

1．實驗用品

二氧化碳?xì)怏w、氫氧化鈉固體、集氣瓶、研缽、藥匙等。

2．實驗操作

（1）取一個250 mL集氣瓶，用向上排空氣法收集一瓶干燥的二氧化碳?xì)怏w，備用；

（2）用研缽將氫氧化鈉固體盡可能研細(xì)，裝入試劑瓶中；

（3）取2藥匙氫氧化鈉粉末加入到盛有二氧化碳?xì)怏w的集氣瓶中，快速蓋好玻璃片，上下振蕩，觀察實驗現(xiàn)象；同時用手觸摸集氣瓶（黏有固體的部位），感受溫度的變化。

3．實驗說明

（1）250 mL集氣瓶可以提供比較多的二氧化碳?xì)怏w參與反應(yīng)（相對于125 mL），使實驗現(xiàn)象更明顯。

（2）選用集氣瓶作為反應(yīng)容器，符合學(xué)生的一般認(rèn)知（用集氣瓶收集氣體），更重要的原因在于它有適中的厚度（相對于礦泉水瓶）、適宜的導(dǎo)熱性能，可以避免反應(yīng)放出的熱量將手燙傷，更不會將容器燙穿。

（3）使用固體氫氧化鈉作為反應(yīng)物，可以排除外來水的干擾，實現(xiàn)從水的視角證明反應(yīng)的發(fā)生；同時將固體氫氧化鈉進(jìn)行研磨（越細(xì)越好），目的是增大固體與氣體的接觸面積，使其充分、快速反應(yīng)，縮短實驗時間，觀察到更明顯的實驗現(xiàn)象。

（4）實驗過程中，可觀察到固體粉末形成糊狀而黏在容器壁上，同時大約30秒后固體周圍出現(xiàn)很多小水珠；用手觸摸瓶壁可明顯感覺到熱，真正實現(xiàn)了“可視可感”的實驗現(xiàn)象，從多個維度來證明反應(yīng)的發(fā)生。

4．實驗優(yōu)點

（1）裝置簡約，操作簡便。利用最簡約的實驗裝置（集氣瓶），進(jìn)行最簡便的“研磨”“振蕩”操作，不需要增加額外實驗（如進(jìn)行對比實驗或產(chǎn)物檢驗實驗等），就可實現(xiàn)實驗現(xiàn)象的“看得見”。立足簡約，又不失創(chuàng)新。

（2）效果顯著，師生可用。雖然只進(jìn)行簡約化設(shè)計，但注重實驗細(xì)節(jié)，完美地解決了“看不見”問題，實驗成功率達(dá)100%；實驗在1 min左右即可完成，達(dá)到了“簡約而不簡單”的效果。

四、實驗思考

氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)除了生成水，還生成了碳酸鈉，筆者就有了一個想法：能否從碳酸鈉視角重新設(shè)計實驗，既能滿足裝置的簡約化、操作的簡單化和現(xiàn)象的可視化，還能適應(yīng)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和認(rèn)知能力呢？為此筆者將二氧化碳?xì)怏w分別通人不同濃度的氫氧化鈉溶液中。驚奇地發(fā)現(xiàn)飽和氫氧化鈉溶液逐漸變渾濁，30 s左右液體會全部變?yōu)楹隣罟腆w；用手觸摸試管外壁，有發(fā)熱的感覺。這是為什么呢？筆者查閱資料、仔細(xì)分析，終于找到了答案，原來在氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)中，生成的碳酸鈉質(zhì)量遠(yuǎn)大于參加反應(yīng)的氫氧化鈉質(zhì)量，而相同溫度下碳酸鈉的溶解度又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氫氧化鈉的溶解度（如表1所示），使用飽和氫氧化鈉溶液進(jìn)行實驗，生成碳酸鈉的質(zhì)量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此時碳酸鈉的溶解極限，從而碳酸鈉以晶體形式析出，出現(xiàn)了“看得見”的實驗現(xiàn)象。

立足于教材，設(shè)計簡約化的實驗，回歸教學(xué)原點，讓學(xué)生在“做中學(xué)”、在“學(xué)中思”，親身體驗氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的真實發(fā)生，培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新意識和證據(jù)意識。當(dāng)然二氧化碳和氫氧化鈉反應(yīng)的簡約化設(shè)計肯定遠(yuǎn)不止這些，期待與更多的同仁一起碰撞出更好的創(chuàng)意。

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