核心素養(yǎng)導向下無明顯現(xiàn)象反應的可視化
——以二氧化碳和氫氧化鈉的反應為例

廣東省中山市實驗中學(528400) 曹梅姣

氫氧化鈉與二氧化碳的反應是初中化學的重要反應。由于氫氧化鈉與二氧化碳的反應無明顯現(xiàn)象，所以教材中沒有用實驗來證明兩者發(fā)生了反應。不少一線教師為了幫助學生理解此反應，設計了一些有明顯現(xiàn)象的實驗，如改變氣壓的“塑料瓶變癟法”、檢驗生成物的“產生氣泡法”等[1]。楊老師在《中學化學教學參考》2017年第10期發(fā)表的文章《氫氧化鈉與二氧化碳反應的實驗設計》中是這樣設計實驗方案的：如圖1所示，在自制的W管中裝入NaOH水溶液和NaOH乙醇溶液，然后往W管通入CO2，通過NaOH水溶液無明顯變化而NaOH乙醇溶液出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，得出CO2能與NaOH反應的結論[2]。上述方法新穎、裝置簡單，但是實驗過程易出現(xiàn)以下問題：①裝置易傾斜，不穩(wěn)定；②W管孔徑小，管內液體容易被吹出；③CO2沒有同時通入NaOH水溶液和NaOH乙醇溶液，對比不夠嚴謹。筆者從實驗儀器創(chuàng)新化、裝置集成化、實驗效果明顯化的角度設計了改進實驗裝置。

圖1 實驗裝置

1 實驗裝置

改進實驗裝置如圖2所示。

圖2 改進實驗裝置

2 實驗用品

(1)儀器：錐形瓶、注射器、帶膠塞導管、Y形管、針頭、木塊、試管夾。

(2)藥品：石灰石、稀鹽酸、氫氧化鈉水溶液、氫氧化鈉乙醇溶液、百里酚酞溶液。

3 實驗原理

氫氧化鈉溶于水和乙醇，碳酸鈉溶于水但微溶于乙醇。當CO2分別通入氫氧化鈉水溶液和氫氧化鈉乙醇溶液時，前者無明顯變化后者出現(xiàn)渾濁并形成凝膠，現(xiàn)象明顯直觀，能充分證明CO2與氫氧化鈉發(fā)生了化學反應。

百里酚酞變色范圍為9.4～10.6，20 ℃飽和碳酸鈉溶液的pH為12.3，20 ℃飽和碳酸氫鈉溶液的pH為8.1，實驗中使用的NaOH溶液的pH為13。當CO2分別通入滴有百里酚酞的氫氧化鈉水溶液和氫氧化鈉乙醇溶液時，前者溶液由藍色變?yōu)闊o色，后者藍色溶液出現(xiàn)渾濁最后形成白色凝膠，前者和后者的實驗現(xiàn)象都說明了CO2能與氫氧化鈉發(fā)生化學反應。

4 實驗步驟及現(xiàn)象

(1)組裝實驗儀器，檢查實驗裝置的氣密性。取下橡膠塞針頭，將注射器活塞往上拉，松手后，注射器活塞往下彈回并回到原處，說明裝置氣密性良好。

(2)錐形瓶中盛放少量大理石，注射器吸取適量稀鹽酸，Y形管兩側分別加入氫氧化鈉水溶液和氫氧化鈉乙醇溶液，連接好裝置。將注射器中的稀鹽酸緩緩推入錐形瓶中，輕輕振蕩Y形管，可以觀察到Y形管中氫氧化鈉水溶液一側無明顯變化，而氫氧化鈉乙醇溶液一側出現(xiàn)渾濁并形成凝膠，說明CO2與氫氧化鈉發(fā)生了化學反應(見圖3)。

圖3 步驟(2)實驗現(xiàn)象

(3)過一段時間，取下Y形管，滴加適量稀鹽酸，觀察到氫氧化鈉乙醇溶液一側白色凝膠由上往下逐漸消失且伴隨產生大而多的氣泡(見圖4)，說明CO2與氫氧化鈉反應生成了新物質，進一步驗證了CO2與氫氧化鈉發(fā)生了化學反應。

圖4 步驟(3)實驗現(xiàn)象

(4)將Y形管兩側分別換成滴有百里酚酞的氫氧化鈉水溶液和氫氧化鈉乙醇溶液，通入CO2，觀察到Y形管氫氧化鈉水溶液一側溶液由藍色變?yōu)闊o色，而氫氧化鈉乙醇溶液一側藍色溶液消失并形成白色凝膠，最后往Y形管中滴入稀鹽酸，觀察到氫氧化鈉乙醇溶液一側白色凝膠由上往下逐漸消失且伴隨產生大而多的氣泡(見圖5)，Y形管左右兩側現(xiàn)象都說明了CO2與氫氧化鈉發(fā)生了化學反應。

圖5 步驟(4)實現(xiàn)現(xiàn)象

5 實驗反思及評價

檢驗新物質的生成和證明反應物的消耗是探究無明顯現(xiàn)象反應能發(fā)生的兩條途徑，采用何種方式證明此類反應的發(fā)生需要具體問題具體分析。二氧化碳與氫氧化鈉的反應既可以從檢驗生成物碳酸鈉的角度也可以從檢驗反應物氫氧化鈉或二氧化碳的消耗的角度進行探究。從檢驗生成物的角度，本實驗以“二氧化碳通入澄清石灰水，澄清石灰水變渾濁”為原型，確定了“二氧化碳通入氫氧化鈉某溶劑溶液，立即產生沉淀”的思路，從而替換氫氧化鈉溶液為氫氧化鈉乙醇溶液；從檢驗消耗反應物的角度，本實驗以“稀鹽酸滴入滴有酚酞溶液的氫氧化鈉溶液，溶液變?yōu)闊o色”為原型，確定了“二氧化碳通入滴有某試劑的氫氧化鈉溶液，溶液變色”的思路，從而替換氫氧化鈉酚酞溶液為氫氧化鈉百里酚酞溶液。本創(chuàng)新實驗在設計和實踐中體現(xiàn)了以下3個方面的優(yōu)點。

5.1 注重培養(yǎng)學生“化隱為顯”的思維

二氧化碳與氫氧化鈉能發(fā)生化學反應，但是無明顯實驗現(xiàn)象，在學生看來此類反應是不會發(fā)生的，因此教師在教學過程中需要將無明顯現(xiàn)象的反應轉變?yōu)橛鞋F(xiàn)象的反應。本實驗借助氫氧化鈉乙醇溶液和百里酚酞指示劑使無明顯現(xiàn)象可視化，從而幫助學生理解二氧化碳與氫氧化鈉的反應。二氧化碳通入氫氧化鈉乙醇溶液后，觀察到溶液變渾濁并形成凝膠；二氧化碳通入滴有百里酚酞的氫氧化鈉水溶液后，溶液由藍色變?yōu)闊o色。這些實驗現(xiàn)象都直觀地說明了二氧化碳能與氫氧化鈉發(fā)生反應，實現(xiàn)了無明顯現(xiàn)象反應的可視化，體現(xiàn)了化學教學中化“隱性”為“顯性”的教學策略。

5.2 注重培養(yǎng)學生“化繁為簡”的能力

探究二氧化碳與氫氧化鈉能發(fā)生化學反應的方法有很多，如“塑料瓶變癟法”“氣球脹大法”“試管倒扣法”等[3]。這些方法實驗現(xiàn)象明顯，能達到實驗目的，但是實驗裝置較為復雜，實驗操作繁瑣，且需要先收集大量的二氧化碳再來驗證二氧化碳與氫氧化鈉能反應。本實驗把以往復雜的實驗裝置簡單化、集成化，不僅能夠節(jié)約實驗者時間，還能降低實驗者在實驗操作過程中出錯或實驗不成功的概率，增強了實驗對比性，體現(xiàn)了化學教學中化“復雜”為“簡單”的教學思想。

5.3 注重培養(yǎng)學生環(huán)保、節(jié)約和創(chuàng)新意識

利用廢舊小塑料瓶和注射器制取二氧化碳，既節(jié)約藥品又廢物利用，體現(xiàn)了化學實驗教學中“注重培養(yǎng)學生環(huán)保和節(jié)約意識”。用Y形管作反應容器可以增強二氧化碳與氫氧化鈉水溶液和氫氧化鈉乙醇溶液反應的對比效果，使實驗儀器創(chuàng)新化、實驗裝置簡單化、實驗現(xiàn)象明顯化，體現(xiàn)了核心素養(yǎng)導向的化學實驗教學“創(chuàng)新意識”的研究。