鹽酸與碳酸鈉分步反應(yīng)探究實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

郭雨琦 孟慶華 劉翠 邢蓓蓓

摘要： 在評(píng)析相關(guān)文獻(xiàn)工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)鹽酸與碳酸鈉分步反應(yīng)的原理，探析鹽酸與碳酸鈉反應(yīng)過(guò)程中模擬的pH、 CO2濃度變化的雙縱坐標(biāo)曲線應(yīng)具有的特征。為獲得接近該模擬曲線的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用蠕動(dòng)泵、真空循環(huán)泵對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鹽酸溶液與碳酸鈉溶液均為0.01mol/L、滴定速度約為5mL/min、空氣循環(huán)流速度為第三檔的條件下，較準(zhǔn)確地反映了反應(yīng)物之間的量比關(guān)系，改善了CO2濃度測(cè)定數(shù)據(jù)滯后等問(wèn)題，獲得的pH、 CO2濃度變化的雙縱坐標(biāo)曲線與模擬曲線基本一致。

關(guān)鍵詞： 碳酸鈉溶液； 鹽酸溶液； 反應(yīng)機(jī)理； 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

文章編號(hào)： 1005-6629（2022）11-0070-05

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問(wèn)題提出

碳酸鈉、碳酸氫鈉與酸的反應(yīng)是蘇教版高中化學(xué)教材（必修）第一冊(cè)中“碳酸鈉、碳酸氫鈉”一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，其中“學(xué)以致用”欄目中“表3-6碳酸鈉與碳酸氫鈉的性質(zhì)比較”中描述：“碳酸鈉、碳酸氫鈉與酸反應(yīng)都放出CO2氣體，但NaHCO3與酸反應(yīng)比Na2CO3更劇烈”，這種

宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象隱含的微觀原因是什么？一般學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象均認(rèn)為是NaHCO3與酸的反應(yīng)比Na2CO3與酸的反應(yīng)速率快，而真正的微觀原因是Na2CO3與酸的反應(yīng)是分步進(jìn)行的：Na2CO3與酸反應(yīng)先生成NaHCO3，過(guò)量的酸繼續(xù)與NaHCO3反應(yīng)生成CO2氣體。如何讓學(xué)生更容易理解掌握碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)是分步進(jìn)行的，進(jìn)而建構(gòu)多元弱酸鹽與較強(qiáng)酸反應(yīng)的認(rèn)知模型？教育學(xué)理論認(rèn)為，形象思維可以降低抽象內(nèi)容的學(xué)習(xí)困難，有助于學(xué)生更好地理解抽象的概念和理論［1，2］。所謂形象思維就是利用感官直接接受具體形象的信息，在頭腦中形成表象，再利用這些表象進(jìn)行類比、概括、聯(lián)想、想象等思維加工直至形成認(rèn)識(shí)。中學(xué)化學(xué)中的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)就是將抽象知識(shí)可視化進(jìn)而充分發(fā)揮學(xué)生的形象思維作用的重要手段。獲得的數(shù)據(jù)和圖像將直觀有效地呈現(xiàn)Na2CO3與酸分步反應(yīng)的機(jī)理和反應(yīng)的微觀本質(zhì)。

2 相關(guān)文獻(xiàn)簡(jiǎn)評(píng)

有關(guān)Na2CO3與酸的分步反應(yīng)許多研究者已做了大量的探究工作，早期的文獻(xiàn)報(bào)道主要集中在對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)以及對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的探尋，使分步反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、易于觀測(cè)等［3］。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，將壓強(qiáng)傳感器、pH傳感器、CO2傳感器與數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)依次相連，采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中多種物理量（如壓強(qiáng)、pH、 CO2濃度）的變化數(shù)據(jù)并以圖像形式呈現(xiàn)，可視化地顯示了分步反應(yīng)的特征，經(jīng)過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，學(xué)生通過(guò)形象思維就比較容易獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論。伍強(qiáng)等［4］采用了如圖1a所示的恒壓式實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)探究Na2CO3溶液與酸的互滴反應(yīng)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)象背后反應(yīng)的本質(zhì)仍難以解釋清楚，用該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求鹽酸與碳酸鈉溶液的濃度要嚴(yán)格一致，否則對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象尤其是顏色的觀察會(huì)有影響。符吉霞等［5］采用如圖1b的裝置記錄碳酸鈉與酸反應(yīng)過(guò)程中pH隨時(shí)間的變化曲線，只能說(shuō)明反應(yīng)是分步進(jìn)行的，但不能解釋反應(yīng)的微觀本質(zhì)。王彥軍等［6］采用如圖1c的實(shí)驗(yàn)裝置，獲得碳酸鈉與酸反應(yīng)過(guò)程中pH、 CO2濃度隨時(shí)間變化的曲線，但實(shí)驗(yàn)時(shí)滴定速度隨恒壓漏斗液面的下降而發(fā)生變化，不能準(zhǔn)確顯示反應(yīng)物之間的量比關(guān)系，存在CO2濃度變化滯后的問(wèn)題。張磊等［7，8］采用如圖1d的實(shí)驗(yàn)裝置，獲得碳酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)過(guò)程中壓力、pH、CO2濃度隨滴定時(shí)間變化的曲線，由于采用的CO2傳感器本身是擴(kuò)散性傳感器，而且CO2傳感器與反應(yīng)器螺口管又連接一根較長(zhǎng)的細(xì)管，導(dǎo)致測(cè)定的CO2濃度變化與實(shí)際情況更加滯后，對(duì)分步反應(yīng)微觀本質(zhì)的解釋造成困難。綜上所述，有必要對(duì)酸滴定碳酸鈉的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步改進(jìn)，使獲得的數(shù)據(jù)和圖像能更準(zhǔn)確地反映反應(yīng)物之間的量比關(guān)系，且克服測(cè)定的CO2濃度變化滯后等問(wèn)題，更清晰準(zhǔn)確地顯示鹽酸與碳酸鈉分步反應(yīng)的特征，揭示該反應(yīng)的微觀本質(zhì)。

3 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

3.1 模擬pH、 CO2濃度變化雙縱坐標(biāo)曲線

根據(jù)碳酸鈉與酸分步反應(yīng)的原理，鹽酸滴定碳酸鈉過(guò)程中的pH、 CO2濃度變化的雙縱坐標(biāo)曲線理論上應(yīng)如圖2所示，圖中V1與V2應(yīng)該相同。而CO2濃度變化曲線應(yīng)該分為三個(gè)階段：AB段碳酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)最終全部轉(zhuǎn)化成碳酸氫鈉，沒(méi)有CO2產(chǎn)生，CO2濃度保持空氣本底值不變，這一階段發(fā)生式（1）的化學(xué)反應(yīng)；第二階段BC段生成的碳酸氫鈉開(kāi)始與鹽酸反應(yīng)放出CO2， CO2濃度不斷增大，這一階段發(fā)生式（2）的化學(xué)反應(yīng)；第三階段CD段是碳酸氫鈉已反應(yīng)完全，此后CO2濃度保持不變。

HCl+Na2CO3NaCl+NaHCO3（1）

HCl+NaHCO3NaCl+CO2↑+H2O（2）

圖中D1、 D2分別為兩個(gè)pH突躍的拐點(diǎn)

V1為滴定開(kāi)始至第一個(gè)拐點(diǎn)D1消耗的鹽酸體積，

V2為第一個(gè)拐點(diǎn)D1到第二個(gè)拐點(diǎn)D2消耗鹽酸的體積

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)

要想獲得模擬的鹽酸滴定碳酸鈉的數(shù)據(jù)和圖像，實(shí)驗(yàn)裝置必須滿足如下要求：（1）整個(gè)滴定系統(tǒng)應(yīng)該是密封的；（2）反應(yīng)器在恒壓情況下鹽酸有恒定的適宜的滴定速度；（3）由于CO2在水中有一定的溶解度［9］，且CO2傳感器一般為擴(kuò)散型，故應(yīng)增強(qiáng)被滴定溶液的攪拌強(qiáng)度，促使溶液中CO2的逸出，加快溶液上部空間CO2的擴(kuò)散速度；（4）適宜的鹽酸和碳酸鈉溶液的濃度。

圖3是根據(jù)上述要求改進(jìn)的探究鹽酸與碳酸鈉分步反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。主要有滴定液儲(chǔ)液瓶、三頸燒瓶、蠕動(dòng)泵、微型真空循環(huán)泵、電磁攪拌器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)（包括相關(guān)數(shù)據(jù)采集、處理軟件）等組成。儲(chǔ)液瓶、三頸燒瓶各開(kāi)口用直徑不同、帶孔的橡膠塞密封。蠕動(dòng)泵可使滴定液的滴加速度恒定不變，并可方便調(diào)節(jié)滴定速度。儲(chǔ)液瓶與三頸燒瓶用橡膠管連通，可使滴定系統(tǒng)氣壓保持平衡。滴定過(guò)程中使用電磁攪拌器

攪動(dòng)三頸燒瓶中的溶液。微型真空循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)空氣通入溶液中加強(qiáng)溶液攪動(dòng)強(qiáng)度，使溶解其中的CO2逸出，加快系統(tǒng)內(nèi)CO2的擴(kuò)散，克服CO2傳感器檢測(cè)的滯后問(wèn)題。利用數(shù)據(jù)采集器的兩個(gè)通道同時(shí)采集滴定過(guò)程中的pH、 CO2濃度的數(shù)據(jù)，為方便比較采用雙縱坐標(biāo)曲線直觀顯示二者的變化。

4 儀器和藥品試劑

4.1 儀器

威尼爾（Vernier）CO2-BAT型CO2傳感器、威尼爾（Vernier）PH-BAT型pH傳感器、威尼爾（Vernier）LabQuest Mini型數(shù)據(jù)收集器、數(shù)據(jù)采集軟件（Logger Pro3.14.1）、威尼爾（Vernier）STIR電磁攪拌器、HY-V1微型真空循環(huán)泵（科斯達(dá)機(jī)電）、（為微型真空循環(huán)泵供電）24V可變直流電源、BT100-2J蠕動(dòng)泵（220V交流供電，保定蘭格恒流泵有限公司）、外徑5mm壁厚1mm硅膠軟管、500mL三頸燒瓶（定制）、500mL廣口試劑瓶

4.2 藥品試劑

碳酸鈉（分析純，西隴科學(xué)股份有限公司）、碳酸氫鈉（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、濃鹽酸（分析純，西隴科學(xué)股份有限公司）、純凈水

溶液的配制：1.0mol/L HCl溶液儲(chǔ)備液；1.0mol/L Na2CO3溶液儲(chǔ)備液；1.0mol/L NaHCO3溶液儲(chǔ)備液；不同濃度的上述各種溶液可分別取上述儲(chǔ)備液用純凈水稀釋獲得。

5 實(shí)驗(yàn)部分

5.1 空氣循環(huán)泵的使用方法

改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置采用微型真空循環(huán)泵的型號(hào)是HY-V1，直流電壓供電，最大工作電壓為24V。泵頭有一個(gè)進(jìn)氣口和一個(gè)出氣口，最大空氣流速為12L/min，根據(jù)提供給真空循環(huán)泵電壓大小（0V、 8V、 16V、 24V）分別將空氣循環(huán)流速定義為0檔、1檔、2檔和3檔。

設(shè)置不同的工作電壓可改變空氣循環(huán)流速，0V即空氣不循環(huán)，電壓越大空氣循環(huán)流速越快。

5.2 蠕動(dòng)泵的使用方法

蠕動(dòng)泵又叫恒流泵或軟管泵，由驅(qū)動(dòng)器、泵頭和軟管三部分組成；蠕動(dòng)泵通過(guò)泵頭上的滾輪對(duì)泵軟管進(jìn)行交替擠壓，在管內(nèi)形成負(fù)壓，液體從泵軟管進(jìn)口端吸入，從出口端流出，就像用手指擠壓一根充滿液體的軟管，隨著手指向前滑動(dòng)管內(nèi)的液體便向前移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中采用外徑5mm壁厚1mm硅膠軟管，設(shè)置蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)器不同的轉(zhuǎn)速，使滴定速度分別為5mL/min、 7.5mL/min、 10mL/min和15mL/min。

5.3 實(shí)驗(yàn)步驟

按圖3所示組裝實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：

（1）將滴定液裝入干燥潔凈的滴定液儲(chǔ)液瓶中；

（2）打開(kāi)蠕動(dòng)泵、微型真空循環(huán)泵、電磁攪拌器、計(jì)算機(jī)電源（并啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理軟件），設(shè)置各儀器的工作參數(shù)；

（3）（滴定液首次使用時(shí)）啟動(dòng)蠕動(dòng)泵工作一段時(shí)間，用滴定液沖洗管道并使管內(nèi)充滿滴定液；

（4）清洗三頸燒瓶，并將適量體積的碳酸鈉溶液（被滴定液）定量移入潔凈的三頸燒瓶中，檢查確認(rèn)滴定系統(tǒng)處于密封狀態(tài)；

（5）先啟動(dòng)微型真空循環(huán)泵、電磁攪拌器工作，然后啟動(dòng)蠕動(dòng)泵，同時(shí)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行滴定分析；

（6）需結(jié)束滴定分析時(shí)，先停止數(shù)據(jù)采集（并保存數(shù)據(jù)），然后依次停止蠕動(dòng)泵、電磁攪拌器以及微型真空循環(huán)泵的工作。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

6.1 濃度對(duì)pH、 CO2濃度雙縱坐標(biāo)曲線形狀的影響

在探究鹽酸與碳酸鈉分步反應(yīng)的文獻(xiàn)中，鹽酸溶液與碳酸鈉溶液濃度一般均采用相同的濃度值，但不同文獻(xiàn)中溶液的濃度是不同的，濃度范圍一般在0.1～1.0mol/L之間。

本文最終所采用碳酸鈉、碳酸氫鈉以及鹽酸溶液的濃度均為0.01mol/L。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若按文獻(xiàn)采用的最小濃度0.1mol/L，將20.00mL Na2CO3溶液定量轉(zhuǎn)移至500mL三頸燒瓶中進(jìn)行滴定分析時(shí)，滴定曲線在第二個(gè)拐點(diǎn)D2后CO2濃度已超出CO2傳感器的檢測(cè)上限。于是便不斷降低濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)濃度為0.01mol/L時(shí)，在較優(yōu)的真空循環(huán)泵空氣循環(huán)流速和滴定速度下，pH、 CO2濃度的變化曲線比較接近模擬曲線。若濃度低于0.01mol/L后，則pH變化曲線的第一突躍就不太明顯，CO2濃度的變化也因生成量太少而有滯后現(xiàn)象，因此確定溶液的濃度均為0.01mol/L較為適宜。

6.2 空氣循環(huán)流速對(duì)pH、 CO2濃度雙縱坐標(biāo)曲線形狀的影響

真空循環(huán)泵在最大工作電壓24V下（第三檔）工作，基本可消除CO2滯后現(xiàn)象。圖4是溶液濃度值采用0.01mol/L，滴定速度采用5mL/min時(shí)不同的空氣循環(huán)流速下，測(cè)得的pH、 CO2濃度雙縱坐標(biāo)曲線。從圖4a可以看出空氣不循環(huán)時(shí)，測(cè)定的CO2濃度變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于化學(xué)反應(yīng)；圖4b、 4c、 4d顯示，隨空氣循環(huán)流速增大，CO2滯后程度不斷減小，因此確定真空循環(huán)泵在最大工作電壓24V下（第三檔）工作較為適宜。

6.3 滴定速度對(duì)pH、 CO2濃度雙縱坐標(biāo)曲線形狀的影響

在其他條件較優(yōu)的條件下，滴定速度為5mL/min比較適宜。圖5是溶液濃度采用0.01mol/L，空氣循環(huán)流速為第三檔時(shí)滴定速度分別為5mL/min、7.5mL/min、 10mL/min和15mL/min測(cè)得的pH、 CO2濃度變化的雙縱坐標(biāo)曲線，依次對(duì)應(yīng)的是圖5a、 5b、 5c、 5d。從圖中可以看出隨滴定速度的增加，CO2滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重，原因是在第一拐點(diǎn)后隨著滴定速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的CO2總量增加，CO2不能及時(shí)擴(kuò)散到傳感器造成的。但若滴定速度太小，實(shí)驗(yàn)時(shí)間又會(huì)拖得太長(zhǎng)，綜合考慮后確定滴定速度為5mL/min。

表1是對(duì)圖5a、 5b、 5c、 5d中pH變化曲線采用切線法確定的化學(xué)計(jì)量點(diǎn)計(jì)算的V1和V2值，表中數(shù)據(jù)表明V1基本與V2相同。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定較優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件為：溶液濃度宜采用0.01mol/L、空氣循環(huán)流速為第三檔、滴定速度為5mL/min。圖6是在較優(yōu)條件下獲得的鹽酸與碳酸鈉反應(yīng)的pH、 CO2濃度變化的雙縱坐標(biāo)曲線，與圖2的理想曲線基本一致。為便于分析對(duì)比，還在較優(yōu)條件下測(cè)定了鹽酸與碳酸氫鈉反應(yīng)的pH、 CO2濃度變化的雙坐標(biāo)曲線如圖7所示。比較圖6和圖7就能解釋碳酸鈉、碳酸氫鈉分別與酸反應(yīng)時(shí)，宏觀上為什么NaHCO3與酸反應(yīng)比Na2CO3與酸反應(yīng)更快更劇烈。

7 結(jié)語(yǔ)

在利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探索某些知識(shí)可視化實(shí)驗(yàn)時(shí)，要充分考慮實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)條件等因素對(duì)獲得的圖像

的直觀性影響，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化，讓知識(shí)點(diǎn)的特征和規(guī)律在圖像中充分呈現(xiàn)，

展示和發(fā)揮學(xué)生的形象思維的作用，有助于學(xué)生更好地理解抽象概念及理論，提高教學(xué)效果。

盡管本次改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置在較優(yōu)條件下基本上能得到與理想曲線一致的pH、 CO2濃度變化的雙坐標(biāo)曲線，但畢竟溶液濃度（0.01mol/L）太小，致使鹽酸與碳酸鈉反應(yīng)的pH曲線第一突躍不太明顯，若要增大濃度，有必要從三頸燒瓶的體積和形狀上作進(jìn)一步的改進(jìn)，后續(xù)相關(guān)工作將另文報(bào)道。

致謝：感謝江蘇省徐州市第二中學(xué)孟彥老師對(duì)本論文研究過(guò)程中實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用方面的支持。

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