酸堿中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

張紅衛(wèi)

摘要： 對(duì)中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中氯化鈉白斑法的不足提出新的改進(jìn)方案。選用工業(yè)酒精稀釋、配制一定濃度的HCl、 NaOH的乙醇水溶液進(jìn)行試管實(shí)驗(yàn)，利用生成的氯化鈉沉淀，不僅獨(dú)立證明氫氧化鈉與鹽酸發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，而且強(qiáng)化學(xué)生對(duì)中和反應(yīng)概念中有鹽生成的認(rèn)識(shí)。新的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、安全可靠。

關(guān)鍵詞： 氯化鈉; 中和反應(yīng); 工業(yè)酒精; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 10056629（2022）09006904

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 研究背景

在化學(xué)教學(xué)中開展以實(shí)驗(yàn)為主的探究活動(dòng)，有助于增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》（以下簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”）中提出的“‘活動(dòng)與探究建議中所列舉的活動(dòng)不要求全盤照搬，在教材編寫或教學(xué)時(shí)可依據(jù)實(shí)際情況選擇應(yīng)用，也可以增補(bǔ)更適合的探究活動(dòng)”[1]。有些化學(xué)反應(yīng)，例如氫氧化鈉與鹽酸的反應(yīng)，由于無明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)知困難。因此如何創(chuàng)新設(shè)計(jì)增補(bǔ)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生真實(shí)感受科學(xué)現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，成為我們關(guān)注重視的問題。

2 問題的提出

中和反應(yīng)在生產(chǎn)生活中真實(shí)廣泛地存在。我國(guó)現(xiàn)有多個(gè)版本的初中化學(xué)教材編排了中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，選用稀鹽酸、稀氫氧化鈉溶液（或石灰水）和指示劑等藥品，用三種方法（如表1所示）來證明酸與堿能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

以人教版教材（以下簡(jiǎn)稱“教材”）為例[2]，其實(shí)驗(yàn)操作如圖1所示，根據(jù)溶液由紅色變成無色，從反應(yīng)物消失的角度，證明氫氧化鈉與鹽酸發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。有新物質(zhì)生成是化學(xué)變化區(qū)別于物理變化的本質(zhì)特征，那么能否從新物質(zhì)（水、氯化鈉）生成的角度來證明氫氧化鈉與鹽酸能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)呢？

教材[3]中有“對(duì)著干燥玻璃片哈氣、氫氣或甲烷燃燒”等實(shí)驗(yàn)，利用物態(tài)變化（氣→液）來判斷它們發(fā)生了化學(xué)變化且有新物質(zhì)水生成。但教材中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是在水溶液中混合發(fā)生的，這就導(dǎo)致它不能利用物態(tài)變化的方法來證明氫氧化鈉與鹽酸反應(yīng)生成了水。

教師通常采用“白斑法”來說明有氯化鈉生成： 加熱酸堿混合液，蒸發(fā)皿或玻璃棒上產(chǎn)生了白斑。然而鹽酸具有揮發(fā)性，導(dǎo)致白斑不一定是反應(yīng)的結(jié)果，也可能是氫氧化鈉白斑，所以此法還須依附指示劑法，用來幫助學(xué)生分析中和反應(yīng)的產(chǎn)物，故不能單獨(dú)用來證明氫氧化鈉與鹽酸能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

對(duì)于中和反應(yīng)的教學(xué)，課標(biāo)給出的活動(dòng)與探究建議為： 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明氫氧化鈉與鹽酸能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以從氯化鈉角度單獨(dú)設(shè)法證明氫氧化鈉與鹽酸能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不僅符合課標(biāo)要求，起到幫助學(xué)生分析變化特征、解釋變化本質(zhì)的作用，而且為無明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的化學(xué)反應(yīng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供示例。

有學(xué)生設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)： 將溫度計(jì)插入含4g NaOH的稀溶液中，滴加同溫的稀鹽酸，攪拌至溫度不再升高，加熱蒸發(fā)酸堿混合液。在烘干至恒重后，若所得固體質(zhì)量不等于4g，則證明酸與堿能發(fā)生反應(yīng);若所得固體質(zhì)量等于4g，則酸與堿不能發(fā)生反應(yīng)。

測(cè)質(zhì)量并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，是一種重要的化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段。該方案將量變、質(zhì)變相結(jié)合，在質(zhì)變中隱藏著量變，從量的變化也說明了質(zhì)的變化。此方案思路似乎可行，但此測(cè)溫法又難以精確獲知反應(yīng)終點(diǎn)，且蒸發(fā)、濃縮、烘干、恒重等耗時(shí)太長(zhǎng)，故不適宜在課堂上進(jìn)行演示。

3 新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)

3.1 從外因開展的實(shí)驗(yàn)探究

3.1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在義務(wù)教育階段，判斷物質(zhì)是否發(fā)生了化學(xué)變化，最常用、最直接的方法是借助于變化伴隨的現(xiàn)象，如顏色改變、放出氣體、生成沉淀、能量變化等。NaCl是易溶物，那么怎樣才能看見水中的氯化鈉呢？除非量大而形成沉淀。

讓可溶物形成沉淀，經(jīng)典當(dāng)屬侯氏制堿法。類比侯氏制堿法原理，從內(nèi)因看，常溫下NaCl的溶解度（S=36g）也小于NaOH（S=109.0g），NaCl的相對(duì)分子質(zhì)量也大于反應(yīng)物，這有利于NaCl晶體從溶液中析出;從外因看，假如也用酸和堿的飽和溶液進(jìn)行反應(yīng)，此時(shí)會(huì)有NaCl晶體析出嗎？畢竟還有不利于晶體析出的因素，如中和反應(yīng)后還有水生成。

在常溫下，中和7.7g飽和氫氧化鈉溶液（NaOH： 4g， H2O： 3.7g），需HCl的質(zhì)量為3.65g，根據(jù)市售濃鹽酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為36%，可知其配套的水為6.5g。反應(yīng)后生成NaCl、 H2O的質(zhì)量分別為5.85g、 1.8g。此時(shí)共有水3.7+6.5+1.8=12g，這些水只能溶解4.3g NaCl，小于生成的NaCl質(zhì)量。所以理論上會(huì)析出NaCl晶體，其質(zhì)量為5.85-4.3=1.55g，NaCl晶體析出率為26.5%。雖然氯化鈉在氫氧化鈉溶液、鹽酸中的溶解度會(huì)小于在同等條件下的水中，但是酸、堿最終會(huì)完全被消耗，故不必考慮同離子效應(yīng)。

綜上可得實(shí)驗(yàn)原理： NaOH（飽和）+HCl（濃）NaCl↓+H2O。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)操作、現(xiàn)象及結(jié)果

向盛有2mL飽和氫氧化鈉溶液的試管中，邊振蕩邊滴加濃鹽酸，可觀察到試管內(nèi)溶液變渾濁，有大量白色沉淀析出（如圖2所示），這說明NaOH和HCl能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且有新物質(zhì)（NaCl）生成;混合液沸騰，說明反應(yīng)放出大量的熱。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)析

（1） 從實(shí)驗(yàn)改進(jìn)原則考慮，由于藥品濃度高、反應(yīng)劇烈，不符合中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)約試劑、安全性原則等理念，故不宜用于課堂演示。

（2） 從酚酞變色原理角度考慮，在用酚酞指示劑法時(shí)， 要用氫氧化鈉稀溶液，而不能用濃溶液[4]。這是由于酚酞的醌式或醌式酸鹽，在強(qiáng)堿性介質(zhì)中是很不穩(wěn)定的，它會(huì)轉(zhuǎn)化為無色的苯式酸鹽（如圖3所示）。這表明如果使用堿的濃溶液進(jìn)行新課教學(xué)，不僅無法獲得預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且也不符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展過程[5]。

（3） 從唯物辯證法角度考慮，該實(shí)驗(yàn)通過改變反應(yīng)物濃度這個(gè)外因，雖解決了“能不能”的問題，但未解決“優(yōu)不優(yōu)”的矛盾。唯物辯證法告訴我們，內(nèi)因是變化的根據(jù)，是事物發(fā)展的根本原因。那么要看到氯化鈉沉淀的內(nèi)因究竟是什么呢？

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.2.1 使用無水乙醇作為溶劑

3.2.1.1 實(shí)驗(yàn)原理

內(nèi)因就是在一定條件下，讓氯化鈉的溶解度變小，甚至變成不溶物。由于同一種物質(zhì)在不同種溶劑中的溶解性通常是不同的，據(jù)此我們思考能否使用非水溶劑，讓NaOH和HCl易溶而氯化鈉難溶。查閱資料[6，7]發(fā)現(xiàn)乙醇是符合要求的理想溶劑。在常溫下的乙醇中，NaOH（S=17.3g）與HCl（S=41.6g）均是易溶物，而NaCl（S=0.065g）是微溶物，即使在89.6%的乙醇溶液中，NaCl的溶解度也僅0.43g?？傻脤?shí)驗(yàn)原理： NaOH+HCl乙醇NaCl↓+H2O。

3.2.1.2 實(shí)驗(yàn)操作、現(xiàn)象及結(jié)果

向盛有2mL稀NaOH的乙醇溶液的試管中，邊振蕩邊滴加HCl乙醇溶液，可觀察到試管內(nèi)溶液變渾濁，有大量白色沉淀析出（實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象類似圖2，但渾濁物沉積到試管底部的時(shí)間較長(zhǎng)），這說明NaOH和HCl在無水乙醇介質(zhì)中能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有新物質(zhì)（NaCl）生成。

3.2.1.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)析

選用HCl的乙醇溶液，使得實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備變得復(fù)雜，同時(shí)也難配得指定濃度的溶液，決定選用濃鹽酸作為穩(wěn)定可控的HCl來源。

3.2.2 使用工業(yè)酒精作為溶劑

3.2.2.1 溶液配制

結(jié)合原料狀態(tài)，當(dāng)濃鹽酸體積與氫氧化鈉固體質(zhì)量之比約為1mL： 0.46g時(shí)，兩者恰好完全反應(yīng)。選用工業(yè)酒精（乙醇體積分?jǐn)?shù)為95%，含水較少，價(jià)格低廉）為溶劑分別對(duì)原料進(jìn)行稀釋和溶解，具體配比見表2。

3.2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及操作

如圖4所示，分別向盛有不同濃度NaOH的乙醇水溶液的試管中滴加1滴酚酞溶液，邊振蕩邊滴加不同濃度HCl的乙醇水溶液。

3.2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。可見提高反應(yīng)物濃度，有利于氯化鈉晶體的析出，若再提高反應(yīng)物濃度已無實(shí)驗(yàn)價(jià)值，故建議選用編號(hào)②的反應(yīng)物物料配比。

4 結(jié)語

運(yùn)用質(zhì)量互變、否定之否定等唯物辯證法規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，選用工業(yè)酒精作為NaOH和HCl反應(yīng)的介質(zhì)進(jìn)行試管實(shí)驗(yàn)，具有設(shè)計(jì)科學(xué)、試劑易得、操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象明顯、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。作為新課教學(xué)的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，可強(qiáng)化學(xué)生對(duì)中和反應(yīng)概念中有“鹽”生成的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生的好奇心與探究欲。

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