運用延時攝影技術(shù)探究碳酸鈉、碳酸氫鈉與酸的反應(yīng)

李蘇霖 龔正元

利用生活中的常見物品，結(jié)合毛細現(xiàn)象、虹吸現(xiàn)象與延時攝影技術(shù)，設(shè)計了NaCO、NaHCO與酸反應(yīng)的比較實驗。用智能手機的延時攝影功能將1h的實驗過程壓縮到34s，成功展現(xiàn)出NaCO溶液與酸反應(yīng)的分步現(xiàn)象，為教學(xué)提供了生動的直觀材料。

延時攝影；碳酸鈉；碳酸氫鈉；分步反應(yīng)；實驗探究

NaCO與NaHCO性質(zhì)的比較一直是高中化學(xué)教學(xué)的重點內(nèi)容之一，尤其是NaCO、NaHCO與酸反應(yīng)的比較。人教版高中化學(xué)必修第一冊在第二章第一節(jié)“鈉及其化合物”的“練習(xí)與應(yīng)用”模塊提到了NaCO與酸的分步反應(yīng)問題；蘇教版高中化學(xué)必修第一冊則是在“碳酸鈉與碳酸氫鈉”這一課時中初步比較了兩者與酸反應(yīng)的速率差異，接著在專題3的綜合評價中具體描述了NaCO與酸的分步反應(yīng)機理。

在日常教學(xué)中，為了便于學(xué)生理解，教師們一直在探究通過直觀手段展現(xiàn)NaCO溶液與酸的分步反應(yīng)現(xiàn)象。伍強等設(shè)計了恒壓式實驗裝置改進了NaCO溶液與鹽酸的互滴反應(yīng)，使用磁力攪拌器加速擴散，防止酸局部濃度過大，并通過氣球放大了實驗現(xiàn)象。肖中榮等人則探究了濃度與酸性強弱對于NaCO溶液與酸反應(yīng)現(xiàn)象的影響，并提出了使用硅酸鋁棉作為溶液載體的創(chuàng)新實驗，實現(xiàn)了酸進入NaCO溶液的持續(xù)均勻擴散，體現(xiàn)了較好的試驗效果。陳秀娟等則使用醫(yī)用注射器與青霉素瓶子設(shè)計了微型實驗裝置，通過向同濃度的NaCO、NaHCO溶液中逐滴滴加低濃度鹽酸進行對比研究。張磊等設(shè)計了全新的NaCO溶液與鹽酸反應(yīng)的實驗裝置，借助pH、CO濃度與壓力傳感器三個表征手段觀察實驗現(xiàn)象，展現(xiàn)分步反應(yīng)機理。

可見，要想充分展現(xiàn)出NaCO溶液與酸分步反應(yīng)的直觀實驗現(xiàn)象，需要滿足諸多條件：（1）溶液濃度較低；（2）溶液滴加速度必須緩慢；（3）加入后擴散必須均勻且快速。在借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上，筆者采用延時攝影技術(shù)對NaCO、NaHCO與酸反應(yīng)的現(xiàn)象進行觀察，效果十分明顯。

延時攝影又稱縮時攝影，是以一種將時間壓縮的拍攝技術(shù)，能夠在短時間內(nèi)展現(xiàn)生活中長期才能觀察到的變化。在延時攝影視頻中，物體本身緩慢的變化過程被壓縮到較短的時間內(nèi)播放，往往能夠呈現(xiàn)出平日里用肉眼無法察覺的奇妙景象，富有沖擊力。延時攝影可以通過專業(yè)的攝影設(shè)備實現(xiàn)，同時隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能手機大多也自帶延時攝影功能。李娟等利用智能手機的延時攝影功能觀察鐵置換銅實驗，將48小時的實驗現(xiàn)象“加速”到1.6分鐘，為學(xué)生提供了更豐富的直觀體驗，取得滿意的教學(xué)效果?？梢?，延時攝影技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實驗有著很高的應(yīng)用價值。

在窄小的毛細管中，液體會形成彎曲的表面，由于表面張力的作用，凹液面會對下面的液體施以拉力，凸液面則會對下面的液體施以壓力。當毛細管插入到浸潤液體中，液面是凹液面，管內(nèi)液面會上升；反之，當毛細管插入到不浸潤液體中，管內(nèi)液面會下降。這就是毛細現(xiàn)象。生活中存在著很多毛細現(xiàn)象的例子，例如：植物根莖從土壤中吸水、毛巾和棉線吸水等。這是因為毛巾、棉線等物體中存在著許多細小的縫隙，這些縫隙起到了毛細管的作用，從而實現(xiàn)了吸水的目的。

虹吸現(xiàn)象的出現(xiàn)根本原因在于壓強差，是液態(tài)分子間引力與位能差所造成的，即利用水柱壓力差，使水上升后再流到低處。由于灌滿水的虹吸管來水端水位高，壓強大，而出水端水位低，壓強小，因此能夠源源不斷地將水從高水位運輸?shù)降退唬钡絻蓚?cè)的水位達到同一高度才會停止流動。

運用常見的生活用品，結(jié)合智能手機設(shè)計出成本低廉、操作簡單、現(xiàn)象直觀的 NaCO溶液、NaHCO溶液與酸反應(yīng)的創(chuàng)新實驗，從而為教學(xué)提供生動的直觀材料，幫助學(xué)生理解兩種鹽溶液與酸反應(yīng)的本質(zhì)。

NaCO溶液與酸反應(yīng)的分步現(xiàn)象之所以難以實現(xiàn)，是因為人為的操作很難做到將酸極為緩慢地加入到 NaCO溶液中并快速均勻擴散，導(dǎo)致酸滴入后的局部濃度過大。筆者利用棉線的毛細現(xiàn)象結(jié)合虹吸現(xiàn)象來實現(xiàn)溶液的主動、定向、緩慢傳輸，而此時棉線的長度、粗細必定會影響傳輸速率，因此需要使用相同長度和粗細的棉線作為傳輸裝置，同時，為了實現(xiàn)進入溶液中酸的快速均勻擴散，選擇使用磁力攪拌器進行連續(xù)攪拌。但是這一實驗過程必然耗時較長，從而帶來現(xiàn)象觀察困難的問題。因此，為了克服這一困難，筆者結(jié)合智能手機自帶的延時攝影功能“加快”反應(yīng)速率，拍攝實驗視頻，做到在短時間內(nèi)對比觀察NaCO溶液、NaHCO溶液與酸反應(yīng)的實驗現(xiàn)象。

實驗儀器：圓形塑料盒（5 mL）、棉線、瓶蓋、磁子、磁力攪拌器、滴管

攝影設(shè)備：白紙、補光燈、升降臺、iPhone 6s Plus手機

實驗藥品：0.2 mol/L NaCO溶液、0.2 mol/L NaHCO溶液、0.2 mol/L 鹽酸、酚酞指示劑

運用常見的生活用品，設(shè)計了如下圖1所示的實驗裝置。在圓形塑料盒之間使用塑料瓶蓋造成高度差并用棉線將塑料盒相連接，引發(fā)毛細現(xiàn)象與虹吸現(xiàn)象，實現(xiàn)溶液的定向、緩慢傳輸。另外，在反應(yīng)容器中放入磁子進行磁力攪拌，避免實驗過程中出現(xiàn)局部濃度過大的問題。與此同時，結(jié)合智能手機、補光燈等拍攝設(shè)備設(shè)計了如下圖2所示的拍攝裝置。

（1）用蒸餾水將三個相同大小的塑料盒洗凈晾干。將其中一個塑料盒擺放在塑料瓶蓋上，剩余兩個擺放于周圍形成如圖1所示的正三角形并將整個裝置放置于磁力攪拌器上，在底部鋪上一層白紙作為背景。

（2）取四根長度相同的棉線，提前在0.2 mol/L 鹽酸中浸泡2～3 min。將每兩根棉線并列簡單纏繞，尾端微微分叉，做出兩個溶液傳輸裝置，在棉線相同的位置對棉線進行折疊用于接觸溶液，從而盡量保證溶液傳輸速率相近。如下圖3所示：

（3）用滴管吸取溶液，向擺放在瓶蓋上的塑料盒中加入0.2 mol/L鹽酸，向另外兩個塑料盒中分別加入相同體積都為1.5 mL的0.2 mol/L NaCO溶液與0.2 mol/L NaHCO溶液，并滴入1～2滴酚酞指示劑。將（2）中制作出的棉線傳輸裝置放入塑料盒中，浸入溶液，并在盒中各放入一個磁子。如下圖4所示：

（4）將iPhone 6s Plus手機放置于升降臺上并升至合適高度，調(diào)整補光燈光線，打開磁力攪拌器并調(diào)整至合適的攪拌速度，開啟手機自帶的延時攝影功能對1h的實驗過程進行拍攝，最終得到34s的實驗視頻。

延時攝影技術(shù)將1h的實驗過程壓縮到了34s，從而放大了實驗現(xiàn)象，讓我們能夠在短時間內(nèi)看到快速連續(xù)的變化，便于對比觀察NaCO溶液、NaHCO溶液與鹽酸反應(yīng)現(xiàn)象異同。通過觀看視頻可知，實驗現(xiàn)象具體經(jīng)歷了如下表1中的四個過程：

（1）使用生活用品，降低實驗成本。在實驗中使用了棉線、塑料盒等生活用品替代實驗儀器設(shè)計出實驗裝置，成本低廉且操作簡單。

（2）結(jié)合信息技術(shù)，利用毛細現(xiàn)象與虹吸現(xiàn)象運輸溶液，做到“慢”，同時運用智能手機的延時攝影功能，使實驗現(xiàn)象的展示變“快”。兩者結(jié)合實現(xiàn)了NaCO與酸的兩步反應(yīng)的可視化，加強了實驗現(xiàn)象的直觀沖擊力。

綜上所述，該實驗為NaCO、NaHCO與酸反應(yīng)的教學(xué)提供了生動的直觀材料，有利于引導(dǎo)學(xué)生在現(xiàn)象中尋找證據(jù)，并根據(jù)證據(jù)進行推理分析，從而獲得知識，同時培養(yǎng)學(xué)生觀察思考、證據(jù)推理、類比聯(lián)想等思維能力。但是該實驗還存在些許不足，因為使用棉線進行溶液的運輸，所以很難做到十分準確的定量研究，仍需要進一步改進完善！

參考文獻：

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