碳酸鈣、碳酸鈉與鹽酸反應的實驗探究

潘智陽 呂春嬌 劉炳華

摘要：比較碳酸鈉、碳酸鈣性質及與鹽酸反應的現象，發(fā)現其差異原因在于溶解性。利用pH傳感器及液滴數傳感器為測試手段，探究飽和碳酸鈉溶液與不同濃度鹽酸的反應，并從宏觀、微觀、符號、曲線四個角度分析反應現象，揭示鹽酸與碳酸鈉分步反應的實質。

關鍵詞：碳酸鈉；碳酸鈣；鹽酸；傳感器；實驗探究

文章編號：10056629（2023）06007604中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

中學階段各版本教材均涉及碳酸鈉和碳酸鈣性質的探究，都有與鹽酸的反應，但實驗方案均未具體標明所用鹽酸的濃度，比如上海教育出版社2012年出版的初三化學教材（上）中描述為“稀鹽酸”^［1］，江蘇鳳凰教育出版社2014年出版的高中化學教材（必修一）中描述為“濃鹽酸”^［2］。鹽酸濃度究竟多少適宜呢？實驗中我們發(fā)現不同濃度的鹽酸分別與碳酸鈣和碳酸鈉反應時出現“異常”現象，鹽酸濃度會直接影響實驗結果，為此我們作了深入探究。

1 發(fā)現問題

在實驗中發(fā)現，向兩個分別裝有碳酸鈣粉末和碳酸鈉粉末的燒杯中滴加0.1mol/L鹽酸，發(fā)現只有碳酸鈣產生氣泡，而碳酸鈉至完全溶解后也未觀察到氣泡，這似乎與“稀鹽酸與碳酸鈉反應最初不產生氣泡，后來產生氣泡”相違背！隨后又分別用0.5mol/L和1.0mol/L的鹽酸溶液加入碳酸鈉、碳酸鈣粉末中，發(fā)現兩者均產生氣泡。僅從化學式看，碳酸鈣為CaCO₃，碳酸鈉為Na₂CO₃，均只有一個碳酸根，貌似與鹽酸反應的結果應該一致。

2 分析問題

我們對碳酸鈣和碳酸鈉部分性質進行了比較，如表1所示。可見二者的狀態(tài)、熔點、與酸堿反應的情況等幾乎一致，但溶解度差異卻很大，這可能是造成上述反應現象不同的原因。

當鹽酸與碳酸鈣粉末反應時，粉末會漂浮在溶液表層，在顆粒表面發(fā)生反應，產生的二氧化碳會直接逸出；而碳酸鈉易溶于水，反應在溶液中進行，且在鹽酸濃度很低情況下，反應生成的二氧化碳溶解在水中，不能大量逸出產生氣泡。

分析相關文獻發(fā)現，使用0.1mol/L的鹽酸和碳酸鈉溶液互相滴加，均立即產生氣泡^［3］。使用的鹽酸和碳酸鈉溶液的濃度均為0.01mol/L，獲得的pH、 CO₂濃度變化的雙縱坐標曲線與模擬曲線基本一致^［4］。而我們選用不同濃度鹽酸滴定碳酸鈉粉末進行比較，發(fā)現產生二氧化碳需要大量低濃度鹽酸，導致難以觀察到氣泡。

經上述分析，若保持碳酸鈉溶液濃度不變，改變鹽酸濃度，應當存在三種反應情況：

（1） 碳酸鈉與鹽酸反應很難觀察到氣泡；

（2） 碳酸鈉與鹽酸反應一開始不產生氣泡，一段時間后明顯產生氣泡；

（3） 碳酸鈉與鹽酸反應一開始就能明顯觀察到氣泡。

為此，筆者設計了三組實驗，利用數字化實驗設備對實驗進行探究，并結合“四重表征”方法進行分析^［5～7］。

3 實驗設計

3.1 實驗設計原理

化學反應：不同濃度的鹽酸滴入碳酸鈉溶液，鹽酸先與碳酸根離子反應生成碳酸氫根。若酸過量，則會生成碳酸，并分解為二氧化碳逸出。

傳感器：隨著信息技術的發(fā)展，傳感器產生并應用于中學實驗教學，對于發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”等化學學科核心素養(yǎng)有三點優(yōu)勢：實驗證據更加充足，可以得到實驗進程中變化的數據；實驗重復性好，相比傳統(tǒng)實驗，數字化實驗條件的控制更精確，實驗過程更穩(wěn)定；增強了實驗的探究性，可讓學生通過曲線分析，培養(yǎng)和提高其探究能力。

四重表征：多重表征理論是應用于概念教學的理論，將多重表征理論與化學教學相結合一直是研究的熱點^［8］。從宏觀、微觀、符號、曲線四個角度分析實驗并聯(lián)系學生已有知識，能提高實驗教學的有效性，增強科學探究的指向性。

3.2 實驗儀器及用品

儀器：pH傳感器、液滴數傳感器及配套滴管、磁力攪拌器、數據采集器及其配套軟件、燒杯、量筒、膠頭滴管、玻璃棒

藥品：12mol/L鹽酸、無水碳酸鈉粉末、去離子水、酚酞試劑、甲基橙試劑

3.3 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

3.4 實驗步驟

（1） 分別配制1.0mol/L鹽酸、0.5mol/L鹽酸、0.1mol/L鹽酸、飽和碳酸鈉溶液。

（2） 按圖1組裝實驗裝置，調節(jié)滴管末端恰在液滴數傳感器的中間位置。向滴管中加入去離子水，調節(jié)閥門控制至適宜流速，并確保液滴數傳感器能準確記錄數據。

（3） 潤洗滴管2～3次，關閉開關閥，加入1.0mol/L鹽酸，向燒杯中加入20mL飽和碳酸鈉溶液，安裝好pH傳感器，確保pH傳感器的玻璃泡浸沒在溶液中，最后放入磁子。

（4） 向燒杯中滴入2～3滴酚酞指示劑，開始數據采集，緩慢打開磁力攪拌器，調整至合適轉速，再打開開關閥。觀察屏幕曲面變化和溶液顏色變化。待紅色褪去后，立刻加入幾滴甲基橙，繼續(xù)觀察屏幕曲線變化和溶液顏色變化，直至曲線完成第二個突躍，且曲線有變平的趨勢時，關閉開關閥，停止數據采集。

（5） 依次用0.5mol/L、 0.1mol/L鹽酸重復上述（3）、 （4）步驟，得到滴定曲線。

（6） 實驗結束，拆除裝置，洗凈實驗儀器，并規(guī)范收好傳感器。

4 實驗數據分析與結果

4.1 1.0mol/L鹽酸滴定飽和碳酸鈉溶液

滴定曲線如圖2所示。

［AB段］

曲線：曲線緩慢下降。

宏觀：溶液紅色逐漸變淡，有氣泡產生。

微觀：此時的氣泡是由于局部濃度過大，鹽酸在與碳酸鈉接觸的一瞬間，生成碳酸并分解為二氧化碳逸出，但總體上還是碳酸根向碳酸氫根離子轉化的過程。

符號：

［BC段］

曲線：曲線迅速下降，在BC之間存在一個點代表碳酸根離子完全變?yōu)樘妓釟涓?/p>

宏觀：溶液紅色繼續(xù)變淡直至無色，有氣泡產生。

微觀：當pH小于8后，酚酞完全褪色；剩余少量的碳酸根離子逐漸變?yōu)樘妓釟涓?，也有少量的碳酸氫根變?yōu)樘妓帷?/p>

符號：

［CD段］

曲線：曲線緩慢下降。

宏觀：溶液黃色逐漸加深，有氣泡產生。

微觀：此時碳酸氫根離子逐漸變?yōu)樘妓?，碳酸會分解為二氧化碳逸出?/p>

符號：

［DE段］

曲線：曲線迅速下降，在DE之間存在一個點代表碳酸氫根離子完全變?yōu)樘妓帷?/p>

宏觀：黃色繼續(xù)加深為橙色，繼續(xù)變?yōu)榧t色，有氣泡產生。

微觀：剩余少量的碳酸氫根離子逐漸完全變?yōu)樘妓?，也有少量的碳酸分解為二氧化碳?/p>

符號：

4.2 0.5mol/L鹽酸滴定飽和碳酸鈉溶液

滴定曲線如圖3所示。

該濃度的滴定過程，AC之間不產生氣泡，因為鹽酸濃度減小，導致碳酸

根離子未能直接轉化為二氧化碳逸出，而C點后逐漸產生氣泡。反應歷程同上。

4.3 0.1mol/L鹽酸滴定飽和碳酸鈉溶液

滴定曲線如圖4所示。

該濃度滴定全程未能觀察到明顯氣泡，因為鹽酸濃度與碳酸鈉濃度相差過大，無法觀察到氣泡。反應歷程同上。

4.4 結果分析

在本實驗條件下，1.0mol/L、 0.5mol/L、 0.1mol/L鹽酸滴入飽和碳酸鈉溶液產生的現象分別為：始終有氣泡產生；先無氣泡產生，一段時間后產生氣泡；全程很難觀察到氣泡。因此雖均為“稀鹽酸”，但濃度不同與飽和碳酸鈉溶液反應的現象也不同。其實本實驗現象與“稀鹽酸與碳酸鈉反應最初不產生氣泡，后來產生氣泡”并不相悖，碳酸鈉溶液的濃度對實驗結果也有一定影響，不同的濃度比會產生不同的現象，但本質上鹽酸與碳酸鈉的反應是分步進行的，因而導致與碳酸鈣反應現象的不同。

參考文獻：

［1］王祖浩，王磊主編. 義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）［M］. 上海： 上海教育出版社，2012： 43.

［2］王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1［M］. 南京： 江蘇鳳凰傳媒出版社，2014： 51.

［3］肖中榮，周萍. 再談碳酸鈉和鹽酸反應的實驗改進［J］. 化學教學，2019，（10）： 54～57.

［4］郭雨琦，孟慶華，劉翠，邢蓓蓓.鹽酸與碳酸鈉分步反應探究實驗裝置的改進［J］. 化學教學，2022，（11）： 70～74.

［5］韓慧磊，信欣，孫影. 運用數字化技術探究鹽酸滴定碳酸鈉溶液的反應［J］. 化學教學，2020，（3）： 56～60.

［6］張磊，王璇，孫美華. 基于傳感器檢測探究鹽酸與碳酸鈉溶液的反應［J］. 化學教學，2021，（6）： 74～77.

［7］［8］林建芬，盛曉婧，錢揚義. 化學“四重表征”教學模式的理論建構與實踐研究———從15年手持技術數字化實驗研究的回顧談起［J］． 化學教育，2015，（7）： 1～6．