硅酸鈉溶液與二氧化碳反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

李延安　李周平

摘要： 對(duì)傳統(tǒng)的硅酸鈉溶液與二氧化碳反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，用注射器將飽和硅酸鈉溶液注入盛有二氧化碳的自封袋中，快速振蕩自封袋，約30秒后可以看到有大量的白色膠狀沉淀，用手觸摸可感受到柔軟而有彈性的凝膠狀固體。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)速率快，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，適合課堂演示或?qū)W生分組實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 硅酸鈉溶液； 二氧化碳； 白色膠狀沉淀； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 10056629（2023）10006103 中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題提出

硅酸的酸性弱于碳酸，硅酸鈉溶液和二氧化碳反應(yīng)可以生成硅酸，在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中有兩個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。利用該裝置既可以證明硫酸和鹽酸的酸性強(qiáng)于碳酸，碳酸的酸性強(qiáng)于硅酸，也可以證明碳原子的得電子能力強(qiáng)于硅原子。

一般認(rèn)為只要在硅酸鈉溶液中通入二氧化碳?xì)怏w，就會(huì)有白色沉淀產(chǎn)生。本學(xué)期我校一位教師參加市教學(xué)能手評(píng)選，抽取的課題為魯科版高中化學(xué)必修第二冊(cè)第一章第三節(jié)“預(yù)測(cè)元素及其化合物的性質(zhì)”，其中的一個(gè)問題是：比較碳、硅、磷元素的性質(zhì)［1］。我們?cè)跍?zhǔn)備這一節(jié)課的內(nèi)容時(shí)，利用圖1裝置比較碳原子和硅原子的得電子能力，鹽酸加到大理石中反應(yīng)產(chǎn)生了氣泡，但在硅酸鈉溶液中通入二氧化碳?xì)怏w大約10分鐘，卻仍未看到有白色膠狀沉淀產(chǎn)生。于是分析討論實(shí)驗(yàn)失敗可能有的多種原因。很巧，正當(dāng)把原因分析完之后，試管內(nèi)產(chǎn)生了白色膠狀物，這不就是不溶性的硅酸沉淀嗎？

繼續(xù)對(duì)上述問題進(jìn)行討論。在硅酸鈉溶液中看到了有明顯的氣泡產(chǎn)生，則說明該裝置的氣密性良好、藥品也未發(fā)生變質(zhì)；二氧化碳?xì)怏w通入硅酸鈉溶液中10分鐘，且導(dǎo)管伸入到了液面下方，說明氣體能與硅酸鈉溶液充分接觸。通過以上分析可得，白色沉淀出現(xiàn)慢，只能說明硅酸鈉溶液和二氧化碳反應(yīng)的速率太慢了。如何設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單且又高效的裝置來完成該實(shí)驗(yàn)?zāi)?？通過查閱大量的文獻(xiàn)資料，反復(fù)做了多次實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了以下硅酸鈉溶液和二氧化碳反應(yīng)的簡(jiǎn)單高效的實(shí)驗(yàn)裝置。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路

查得H2CO3和H2SiO3的電離常數(shù)如下［2］：H2CO3的電離常數(shù)Ka1=4.3×10-7、 Ka2=5.61×10-11；硅酸的電離常數(shù)Ka1=2.2×10-10、 Ka2=2×10-12。按照“強(qiáng)酸制弱酸”的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，可以用飽和Na2SiO3溶液與CO2反應(yīng)制取硅酸凝膠［3］。從理論上分析，該反應(yīng)是能夠發(fā)生的，但需要提高該反應(yīng)的速率。

根據(jù)影響化學(xué)反應(yīng)的因素，要加快化學(xué)反應(yīng)的速率應(yīng)采取的措施為：（1）增大反應(yīng)物的濃度。在實(shí)驗(yàn)過程中使用飽和硅酸鈉溶液。（2）增大接觸面積。由于在試管中難以增大反應(yīng)物和氣體的接觸面積，可在自封袋中讓硅酸鈉溶液和二氧化碳充分接觸，也可以加強(qiáng)振蕩，既增大二氧化碳與硅酸鈉的接觸面積，又能防止二氧化碳大量逸出造成藥品浪費(fèi)。（3）升高體系的溫度。如果在（1）和（2）的條件下反應(yīng)速率仍比較慢，可以把封好的自封袋放入盛有熱水的燒杯中進(jìn)行加熱。

3 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

3.1 實(shí)驗(yàn)用品

自封袋（8cm×12cm，透明塑料制成，帶自封條）、飽和硅酸鈉溶液、注射器、二氧化碳

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 在自封袋中收集二氧化碳?xì)怏w，當(dāng)自封袋明顯鼓起時(shí)，停止收集氣體，拉好自封條，用手輕輕地按一下鼓起的自封袋，確認(rèn)自封袋已封好。

（2） 用注射器吸入10mL飽和硅酸鈉溶液，輕輕地把自封袋的一端打開一小縫，將注射器的針頭從小縫中伸入到自封袋中，用手捏住自封袋袋口和注射器接觸的地方（防止袋內(nèi)氣體逸出），快速推動(dòng)注射器的活塞，將飽和硅酸鈉溶液注入到自封袋中，隨即拉好自封條。

（3） 用食指和拇指夾住自封袋口，振蕩自封袋大約30秒左右，靜置，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

剛將飽和硅酸鈉溶液注入到裝有二氧化碳的自封袋時(shí)，自封袋中的溶液沒有發(fā)生變化。振蕩自封袋大約30秒，自封袋中的溶液開始略有渾濁。當(dāng)看到溶液中有白色膠狀物產(chǎn)生時(shí)，停止振蕩。靜置后，可以觀察到自封袋內(nèi)產(chǎn)生大量的白色膠狀固體，用手進(jìn)行觸摸可感受到柔軟而有彈性的凝膠狀固體。

3.4 注意事項(xiàng)

（1） 使用硅酸鈉的濃溶液，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯。

（2） 在自封袋中收集二氧化碳時(shí)，先把自封條打開，把自封袋平鋪在桌面上，用手掌從自封袋的底部慢慢地抹到袋口，排掉袋內(nèi)的空氣。

（3） 在自封袋內(nèi)充氣和注入硅酸鈉溶液時(shí)，只需在自封條的一端打開一小縫，同時(shí)用手指捏住袋口，防止二氧化碳?xì)怏w逸出。

（4） 必須快速振蕩自封袋30秒以上，如果時(shí)間太短，自封袋里可能看不到有白色膠狀固體產(chǎn)生；如果還未出現(xiàn)白色沉淀，則需繼續(xù)振蕩。

（5） 如果用鹽酸制二氧化碳?xì)怏w，必須通過飽和碳酸氫鈉溶液除去二氧化碳中的氯化氫氣體，防止氯化氫氣體對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。

（6） 為了提高課堂演示實(shí)驗(yàn)的效率，教師可以提前將二氧化碳收集到自封袋中，收集二氧化碳?xì)怏w之前需要檢查自封袋是否漏氣。

3.5 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰、直觀。利用透明自封袋代替試管作為反應(yīng)容器，學(xué)生的視野和觸覺不受容器的限制，能更加直觀地觀察和觸摸到硅酸的顏色和狀態(tài)。這也是一次與化學(xué)親密接觸、感悟化學(xué)的機(jī)會(huì)。

（2） 實(shí)驗(yàn)的效率非常高。從開始實(shí)驗(yàn)到觀察到有明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，大約只需要1分鐘左右，實(shí)驗(yàn)的成功率幾乎為100%。

（3） 消耗藥品少、有益環(huán)保。做完一次實(shí)驗(yàn)只需要少量的二氧化碳?xì)怏w，同時(shí)不產(chǎn)生污染。

（4） 實(shí)驗(yàn)操作步驟簡(jiǎn)潔明了，非常適合課堂上教師演示或開展學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)。

（5） 可以分階段顯示硅酸膠體的生成和膠體的聚沉。當(dāng)在自封袋中加入硅酸鈉溶液后，振蕩3～5秒，用可見光路照射自封袋中的液體時(shí)，可以看到一條光亮的通路。繼續(xù)振蕩時(shí)，可以在自封袋中看到有大量的白色膠狀固體產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)的過程加深了學(xué)生對(duì)硅酸膠體的檢驗(yàn)和認(rèn)識(shí)，同時(shí)也體會(huì)到了振蕩能促進(jìn)膠體的聚沉。這非常符合化學(xué)教學(xué)的實(shí)際需求，有利于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)。

（6） 普適性強(qiáng)。無論自封袋里通入的二氧化碳?xì)怏w是少量還是足量，都可以看到有白色膠狀沉淀產(chǎn)生。利用該裝置還可以進(jìn)行某些氣體和液體、固體與液體的反應(yīng)等實(shí)驗(yàn)。由于塑料袋透明有彈性，且密封性好，使實(shí)驗(yàn)操作安全、方便、易觀察。

（7） 由于生成的硅酸是在密閉的體系中保存，不易變質(zhì)。在學(xué)習(xí)硅酸和硅酸鹽的性質(zhì)時(shí)可以繼續(xù)循環(huán)利用。

4 結(jié)語(yǔ)

課題研究源于教師在教學(xué)中遇到的實(shí)際問題，目的是尋找解決實(shí)驗(yàn)失敗的原因。硅酸鈉溶液和二氧化碳反應(yīng)開始時(shí)，剛生成的硅酸是以單分子硅酸形式存在于溶液中，并不立即形成白色膠狀沉淀。經(jīng)過振蕩自封袋，硅酸就逐漸縮合成多硅酸，形成硅酸溶膠。硅酸溶膠遇到電解質(zhì)發(fā)生了膠體的聚沉，產(chǎn)生不溶性的白色膠狀沉淀即硅酸凝膠［4］。教師緊扣失敗的關(guān)鍵原因，立足于如何加快反應(yīng)速率對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了硅酸鈉溶液與二氧化碳快速反應(yīng)的高效方法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了拓展：在此裝置中還設(shè)計(jì)了銅與濃、稀硝酸的反應(yīng)，氯氣與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)、二氧化硫與高錳酸鉀溶液的反應(yīng)、乙烯與高錳酸鉀溶液的反應(yīng)等實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)在全市實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了推廣，收到了非常好的教學(xué)效果，受到了廣大師生的歡迎。

參考文獻(xiàn)：

［1］王磊， 陳光巨主編. 普通高中教科書·化學(xué)必修第二冊(cè)［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 67.

［2］北京師范大學(xué)等編. 無機(jī)化學(xué)（下）（第四版）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2003： 567～578.

［3］徐小健. 硅酸鈉溶液與酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2018，（4）： 72～74.

［4］朱正德. 從制備硅酸凝膠的實(shí)驗(yàn)探究談“強(qiáng)酸制弱酸”規(guī)律［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2013，（5）： 49～50.

*山東省濱州市中小學(xué)強(qiáng)課提質(zhì)行動(dòng)專項(xiàng)課題“新課程背景下高中化學(xué)生本教學(xué)策略研究”（課題編號(hào)：BZQK202217）的研究成果之一。