探究氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)的一體化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

林丹 周文榮

摘要：通過(guò)對(duì)比分析不同版本教材中對(duì)氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)不同的處理方式，尋找一線教師留下的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)發(fā)展空間，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一體化的實(shí)驗(yàn)裝置，從壓強(qiáng)變化、堿性強(qiáng)弱、溫度變化、產(chǎn)物檢驗(yàn)四個(gè)視角證明反應(yīng)的發(fā)生。該裝置有對(duì)比明顯、整合性強(qiáng)、定量視角、節(jié)約藥品等特點(diǎn)，有利于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力和證據(jù)推理的意識(shí)。

關(guān)鍵詞：氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)；無(wú)明顯現(xiàn)象反應(yīng)；一體化實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-0546（2022）12-0089-04

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12.022

一、裝置設(shè)計(jì)緣起

1．教材內(nèi)容分析

氫氧化鈉能與二氧化碳反應(yīng)，是堿的一條重要的化學(xué)性質(zhì)，不同版本的教材處理略有不同。滬教版和人教版僅給出了NaOH和CO2反應(yīng)的化學(xué)方程式，沒(méi)有具體的實(shí)驗(yàn)。魯教版則提供了在塑料瓶里完成反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。教材對(duì)沒(méi)有明顯現(xiàn)象反應(yīng)的發(fā)生沒(méi)有作深入的探究，給一線教師的研究留下了一定的空間。

2．一線教師研究現(xiàn)狀

許多一線教師積極思考，不斷探索，從不同角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了不同的原理來(lái)探究氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)（見(jiàn)表1）。[1-5]

3．裝置設(shè)計(jì)的發(fā)展空間

梳理以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，教師們主要是從三個(gè)角度證明NaOH能與CO2反應(yīng)：壓強(qiáng)變化的角度、檢驗(yàn)產(chǎn)物碳酸鹽的角度、定量角度?，F(xiàn)有成果給教師們后續(xù)研究提供了寶貴的思路和方法，給進(jìn)一步研究留下了發(fā)展空間。

（1）從壓強(qiáng)角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)需要排除二氧化碳溶于水造成的干擾，可以用等體積的水代替氫氧化鈉溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，作為對(duì)照?？梢詫?duì)照實(shí)驗(yàn)與定量實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，定量地對(duì)比等體積氫氧化鈉溶液與等體積水吸收二氧化碳的差異。

（2）現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)一般是從二氧化碳減少的角度證明反應(yīng)的發(fā)生，也可以從氫氧化鈉減少的角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。雖然反應(yīng)產(chǎn)物碳酸鈉溶于水也是堿性，但堿性相對(duì)而言已經(jīng)減弱，可尋找合適的酸堿指示劑證明氫氧化鈉被消耗。

（3）氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)放熱，可以從能量的角度證明反應(yīng)的發(fā)生，利用生活中的電子溫度計(jì)可以實(shí)時(shí)測(cè)量溫度的變化。

（4）以上裝置僅僅是從一個(gè)或兩個(gè)角度設(shè)計(jì)，可以將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有機(jī)整合，利用一套實(shí)驗(yàn)從多角度證明反應(yīng)的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的一體化。

二、一體化實(shí)驗(yàn)裝置和藥品

1．實(shí)驗(yàn)用到的儀器藥品

實(shí)驗(yàn)所需的儀器有：醫(yī)用輸液袋1個(gè)（實(shí)測(cè)體積260 mL）、20 mL注射器5個(gè)、三通閥2個(gè)、電子溫度計(jì)1個(gè)。

實(shí)驗(yàn)所需的藥品有：二氧化碳、2 mol/L氫氧化鈉溶液、2 mol/L鹽酸、蒸餾水、達(dá)旦黃指示劑。

選擇達(dá)旦黃作指示劑出于以下思考與實(shí)踐：輸液袋的體積為260 mL，除去與水作用的10 mL氣體外，與氫氧化鈉反應(yīng)的二氧化碳為250 mL，物質(zhì)的量約為0.01 mol。10 mL 2 moVL的氫氧化鈉溶液能與二氧化碳恰好完全反應(yīng)，生成的碳酸鈉溶液的pH約為12。經(jīng)資料查閱，找到兩種潛在可行的酸堿指示劑：孔雀綠和達(dá)旦黃?？兹妇G變色的pH范圍為11.5（藍(lán)綠）-13.2（無(wú)色），達(dá)旦黃變色的pH范圍為12.0（黃）-13.0（紅）。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)孔雀綠在反應(yīng)前后溶液均為無(wú)色；而達(dá)旦黃在反應(yīng)中隨著堿性的減弱，溶液由紅色變?yōu)闇\黃，能作為該反應(yīng)的指示劑，指示氫氧化鈉被消耗。

2．裝置的制作

“探究氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)”一體化裝置如圖1所示。將輸液袋兩端多余的塑料軟管裁去，保留兩端的輸液閥。在兩端塑料管上分別連接一個(gè)三通閥，三通閥的另外兩個(gè)出口分別與兩個(gè)20 mL的注射器相連。用泡沫膠水將電子溫度計(jì)的數(shù)字顯示屏粘在輸液袋上，將溫度探頭用透明膠固定在輸液袋邊。

三、利用裝置進(jìn)行系列實(shí)驗(yàn)的步驟與現(xiàn)象

在檢查好裝置的氣密性后，在袋中收集滿二氧化碳（約260 mL），關(guān)閉輸液袋兩端的輸液閥。注射器1和注射器4中分別抽取10 mL滴有達(dá)旦黃的氫氧化鈉溶液或10 mL水，注射器2和注射器3的活塞推至最高處，排盡其中的空氣，如圖1所示將裝置連接好。觀察到達(dá)旦黃溶液呈紅色，電子溫度計(jì)讀數(shù)為24.0℃。

實(shí)驗(yàn)1：從定量角度證明

如圖2所示，轉(zhuǎn)動(dòng)三通閥A至輸液袋與注射器2相通，打開(kāi)輸液袋左端輸液閥，向外拉注射器2的活塞，抽取10 mL二氧化碳，關(guān)閉左端輸液閥。用相同的方法在注射器3中抽取10 mL_氧化碳。旋轉(zhuǎn)三通閥A至注射器1、2相通，推動(dòng)注射器1的活塞，將10mL滴有達(dá)旦黃的氫氧化鈉溶液注入注射器2中，與二氧化碳充分接觸。旋轉(zhuǎn)三通閥B至注射器3、4相通，推動(dòng)注射器3的活塞，將10 mL水注入注射器3中，與二氧化碳充分接觸。半分鐘后觀察到注射器2的活塞移動(dòng)至11.0 mL刻度處，注射器3的活塞移動(dòng)至17.6 mL刻度處，裝NaOH溶液的注射器活塞移動(dòng)距離更大，說(shuō)明等體積氫氧化鈉溶液比水吸收更多二氧化碳，證明氫氧化鈉能與二氧化碳反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)2：從反應(yīng)物減少、能量角度證明

旋轉(zhuǎn)三通閥A至輸液袋與注射器2相通，打開(kāi)左端輸液閥，將氫氧化鈉溶液全部注入輸液袋，關(guān)閉輸液閥，將輸液袋與三通閥分離，振蕩。從側(cè)面觀察，與實(shí)驗(yàn)前相比（見(jiàn)圖3-a），注入NaOH溶液后，輸液袋明顯變癟（見(jiàn)圖3-b），溶液由紅色轉(zhuǎn)為黃色，電子溫度計(jì)示數(shù)從24.0℃上升至28.1℃。反應(yīng)物二氧化碳、氫氧化鈉減少，過(guò)程溫度上升，均能證明氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)3：從生成物角度證明

如圖4所示，在注射器5中吸取10 mL 2 mol/L鹽酸，注入輸液袋中，觀察到有氣泡產(chǎn)生，輸液袋重新膨脹。說(shuō)明反應(yīng)后有碳酸鹽產(chǎn)生，證明氫氧化鈉能與二氧化碳反應(yīng)。

反應(yīng)結(jié)束后，向外拉注射器5的活塞，將袋中的液體抽去，重新得到一袋二氧化碳?xì)怏w，便于連續(xù)教學(xué)，循環(huán)利用物質(zhì)。

四、一體化裝置的優(yōu)點(diǎn)

1．對(duì)比明顯，清晰可視。反應(yīng)過(guò)程現(xiàn)象豐富，產(chǎn)生了四處對(duì)比現(xiàn)象：兩端注射器讀數(shù)、輸液袋前后體積、達(dá)旦黃前后顏色、電子溫度計(jì)前后讀數(shù)。將原本無(wú)明顯現(xiàn)象的反應(yīng)可視化，便于學(xué)生更深刻地體會(huì)反應(yīng)過(guò)程中壓強(qiáng)、酸堿性、溫度的變化，加深對(duì)反應(yīng)特征的理解。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的細(xì)致觀察，借助直觀的現(xiàn)象，獲得豐富的感性認(rèn)識(shí)，以此為基礎(chǔ)，證明反應(yīng)的發(fā)生，讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)成為學(xué)生“證據(jù)推理”意識(shí)與思維邏輯性培養(yǎng)的最主要途徑。[6]

2．整合性強(qiáng)，發(fā)展思維。利用一體化實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了從四個(gè)角度證明反應(yīng)發(fā)生：壓強(qiáng)變化、堿性強(qiáng)弱、溫度變化、產(chǎn)物檢驗(yàn)，操作連貫，一氣呵成。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生既對(duì)NaOH能與CO2反應(yīng)有了深刻的認(rèn)識(shí)，還能構(gòu)建驗(yàn)證無(wú)明顯現(xiàn)象的反應(yīng)確實(shí)發(fā)生的一般模型：新物質(zhì)生成、反應(yīng)物減少，能量變化，可以指導(dǎo)他們后續(xù)的學(xué)習(xí)。

3．定量視角，方法指導(dǎo)。相同體積的NaOH溶液和水，接觸等體積的CO2，通過(guò)活塞移動(dòng)的刻度定量指示NaOH與CO2反應(yīng)。排除了二氧化碳溶于水使壓強(qiáng)變小的干擾，進(jìn)一步加深了對(duì)比實(shí)驗(yàn)控制單一變量的方法指導(dǎo)。 4．節(jié)約藥品，循環(huán)利用。需要使用的藥品的量很少，僅260 mL二氧化碳、10 mL水、10 mL氫氧化鈉溶液、10 mL稀鹽酸。而且反應(yīng)結(jié)束后通過(guò)將輸液袋中剩余液體抽去，實(shí)現(xiàn)二氧化碳的循環(huán)使用，便于班級(jí)間連續(xù)上課。所用的儀器均為塑料制品，輕便易攜帶。

參考文獻(xiàn)

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