碳酸氫鈉、碳酸鈉與酸反應實驗的新設計

摘 要：利用注射器、礦泉水瓶、紫甘藍汁、氣球等材料改進碳酸氫鈉、碳酸鈉與鹽酸反應的實驗。設計不同質量碳酸氫鈉、碳酸鈉分別與醋酸反應的實驗，從氣球變化、液體顏色變化、反應后固體剩余情況等視角觀察實驗現象。當碳酸鈉過量時，發(fā)現氣球先變大后變小，通過測定生成的二氧化碳的質量分析產生該現象的原因，并用pH傳感器測定碳酸鈉溶液吸收二氧化碳過程的pH變化。從“被反應完的物質、證據、推理”三個視角設計評價量表，對學生活動給予反饋。

關鍵詞：碳酸氫鈉；碳酸鈉；實驗創(chuàng)新；實驗改進

文章編號：1005-6629（2024）09-0082-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 實驗設計理念

《義務教育化學課程標準（2022年版）》要求：教師應積極開展以實驗為主的多樣化的學科活動，促進科學思維培養(yǎng)，實現從知識為本到素養(yǎng)發(fā)展的課堂教學轉變^［1］。為了便于學生進行分組實驗或家庭實驗，本研究對教材實驗從生活取材、多重表征兩個維度進行創(chuàng)新設計。

設計實驗應注重教學應用。首先需體現“教-學-評”一體化的設計理念，因為實驗不只是演示，更多的應該是學習體驗；實驗也不只是操作，更多的是思維提升^［2］；實驗需要評價給予反饋，但更需要評價給予思考的方向。其次需體現學科育人的理念，包括基于觀察實驗現象的美育、自制儀器動手操作的勞育、關注思維提升解決問題的智育和關注思想品質科學態(tài)度的德育四個方面。

2 實驗設計目標

（1） 利用生活易得的素材改進教材中的酸堿鹽主題實驗，使實驗過程更直觀、安全，實驗現象更豐富。

（2） 超越教師演示，提供以學生為中心的科學實踐活動思路。

（3） 在創(chuàng)新實驗基礎上關注過程性評價，提供教、學、評一體化的設計思路。

3 實驗原理

實驗中涉及的主要反應的化學方程式如下：

碳酸氫鈉與鹽酸反應：NaHCO+HCl====NaCl+HO+CO↑；

碳酸鈉與鹽酸反應：NaCO+2HCl====2NaCl+HO+CO↑；

碳酸氫鈉與醋酸反應：NaHCO+CHCOOH====CHCOONa+HO+CO↑；

碳酸鈉與醋酸反應：NaCO+2CHCOOH====2CHCOONa+HO+CO↑；

碳酸鈉溶液吸收CO：NaCO+HO+CO====2NaHCO。

紫甘藍汁是一種生活中常見的指示劑，在不同酸堿度溶液中呈現的顏色如表1所示^［3］。

4 實驗過程及現象

4.1 教材實驗改進

4.1.1 教材實驗分析

人教版化學九年級（下冊）第十一單元課題1中涉及NaHCO、NaCO與鹽酸反應的實驗。教師在演示實驗時可能會遇到以下三個問題：（1）反應速率較快，導致混合物從試管中噴出。（2）反應速率較快導致來不及將生成的氣體通入澄清石灰水中或沒有收集到足夠的氣體而看不到澄清石灰水變渾濁。（3）無法直觀比較NaHCO、NaCO與鹽酸反應的劇烈程度。

4.1.2 改進實驗方案

利用氣球、注射器、紫甘藍汁對教材實驗進行改進，改進裝置如圖1所示。

4.1.3 實驗步驟

（1） 分別量取5mL鹽酸于2支試管中，并加入15滴紫甘藍汁。

（2） 在氣球中分別加入0.5g NaHCO和NaCO固體，并將氣球套在試管口上。

（3） 將氣球中的固體同時傾倒入試管中。

（4） 用盛有20mL澄清石灰水的注射器抽取氣球中的氣體，振蕩。

4.1.4 實驗現象

（1） 盛有碳酸氫鈉的氣球變大更快。

（2） 加入NaHCO和NaCO的試管中反應后溶液顏色分別為紅色和藍色。

（3） 注射器中澄清石灰水變渾濁。

4.1.5 改進實驗優(yōu)點

（1） 反應過程中不會有混合物噴出。

（2） 用注射器抽取氣球中的氣體與澄清石灰水反應，現象明顯，且無需考慮反應太快問題。

（3） 通過氣球的變化能直觀比較NaHCO、NaCO與鹽酸反應的劇烈程度。

（4） 加入紫甘藍汁，借助顏色變化可表現出反應過程中溶液的酸堿性變化，并結合反應后固體剩余情況進行分析，可以引發(fā)更多的思考。

4.2 學生活動設計

4.2.1 實驗用品

1mol/L醋酸、NaHCO、NaCO、紫甘藍汁、氣球、礦泉水瓶等

4.2.2 實驗步驟

（1） 將25mL醋酸和2mL紫甘藍汁加入礦泉水瓶中（共10份）。

（2） 在一組氣球（5個）中分別加入0.70g、1.05g、2.10g、3.15g、4.20g的NaHCO，并將氣球分別套在上述5個礦泉水瓶口上。

（3） 在另一組氣球（5個）中分別加入0.44g、0.66g、1.33g、1.99g、2.65g的NaCO，并將氣球分別套在另外5個礦泉水瓶口上。

（4） 將氣球中的固體同時傾倒入礦泉水瓶中，振蕩。

上述每組實驗進行3次，記錄NaHCO、NaCO與醋酸反應前后氣球的變化，以及反應30分鐘后的現象。

4.2.3 實驗現象

實驗現象見表2。

特殊現象：NaHCO和醋酸反應的實驗結束一段時間后，氣球無明顯變化，而NaCO和醋酸反應的實驗中，最后一個氣球一段時間（約30分鐘）后有明顯變小的現象，且溶液由綠色逐漸變?yōu)樗{綠色。

4.2.4 實驗結果分析

定量分析（1）：通過稱量反應前后裝置的總質量，包括礦泉水瓶、NaHCO、NaCO固體、醋酸、氣球、生料帶（封口用）等所有實驗用品。計算每套裝置反應前后質量的差值，即為生成CO的質量。具體數據見表3。

根據所得數據繪制不同質量的NaHCO、NaCO分別與等體積等濃度的醋酸反應生成CO質量的變化圖（如圖2所示）。

由圖像可知：隨著NaHCO質量的增加，生成CO的質量先增大后基本不變。隨著NaCO質量的增加，生成CO的質量先增大后減小。

NaHCO質量為2.1g時與1.5g的醋酸恰好完全反應，通過計算得出理論上生成CO的質量為1.1g。在教學中可以引導學生將實驗測定值與理論值進行比較，分析可能產生誤差的原因，如有少量反應物固體留在氣球中、醋酸揮發(fā)等。

定量分析（2）：根據圖像從定量角度分析NaCO過量時氣球變小的原因，即裝置內CO減少。

4.3 探究NaCO溶液吸收CO過程

2.65g NaCO與醋酸反應后的裝置中有較多的固體殘留，液體呈綠色，說明NaCO濃度較高。一段時間后氣球明顯變小是否說明NaCO溶液也可以吸收CO？借助pH傳感器進行深入探究。

4.3.1 實驗用品

飽和NaCO溶液、CO、氣球、磁力攪拌器、三頸燒瓶、pH傳感器、數據采集器、電腦等

4.3.2 實驗步驟

實驗裝置見圖3。

（1） 在三頸燒瓶中加入300mL飽和NaCO溶液。

（2） 在瓶口1、2處分別套上充有CO的氣球（氣球脖頸用細線扎緊）。

（3） 解開氣球1上的細線，讓CO將三頸燒瓶中的空氣排出，并用燃著的木條在瓶口3處驗滿。實驗裝置如圖3a所示。

（4） 在瓶口3處塞上帶有pH傳感器的塞子，并將氣球1換成塞子，再解開氣球2的細線。

（5） 打開磁力攪拌器，并在電腦上點擊開始采集。實驗裝置如圖3b所示。

4.3.3 實驗現象及分析

（1） 氣球現象及分析：實驗中可以清晰地觀察到氣球逐漸變小、變癟，最后甚至進入燒瓶中向內鼓起，說明NaCO溶液可以吸收較多的CO，使瓶內的壓強逐漸減小。

（2） 溶液pH變化及分析：溶液pH的數值由10.25逐漸減小至9.93，雖有減小但不明顯，如圖4所示。隨著反應的持續(xù)進行，pH還在不斷下降。說明NaCO與CO、HO反應生成了NaHCO。

5 學生實驗活動及評價

實驗應以學生為本，所以將單純演示NaHCO與酸的反應，拓展為讓學生操作、思考和回答問題，并依據一定規(guī)則實施評價。除了傳感器之外，其他

均來自普通實驗儀器或生活中的用品，安全、易得，便于學生自行探索或在課堂上通過教學互動進行考核。為了體現對學生的實驗評價，在國外文獻^［4］的啟發(fā)下從“被反應完的物質、證據、推理”三個視角設計了評價量表（見表4），考察學生的觀察分析和證據推理能力。

6 結語

本實驗是基于初中階段化學知識而設計的，綜合性較強，可以用于酸堿鹽的新課教學，也可以用于中考的復習課。如果將這個實驗的教學延伸應用到高中，還可以用pH傳感器檢測醋酸與碳酸鈉恰好反應時溶液的pH，或者分析當紫甘藍檢測為紫色時溶液實際的pH，可引導學生展開更多的實驗探究。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：4.

［2］陳凱，馬忠杰，王小鋒.江蘇省中小學生實驗能力大賽高中化學學科總決賽實驗操作題命題特點分析［J］.化學教育（中英文），2024，45（7）：121～122.

［3］夏琴，楊硯寧，毛明.利用紫甘藍汁和pH傳感器探究二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應［J］.化學教學，2016，（10）：39～41.

［4］Walker J P，Sampson V，et al.. A Performance-Based Assessment for Limiting Reactants ［J］. Journal of Chemical Education，2011，（88）：1243～1246.