碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應實驗的改進

　　人教版普通高中新課程標準實驗教科書《化學》必修①第56頁對碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質進行了科學探究，其中之一是碳酸鈉、碳酸氫鈉分別與稀鹽酸反應。科學探究的目的是通過此反應比較碳酸根離子與碳酸氫根離子與氫離子反應的速度，從而說明碳酸根離子與氫離子結合的過程。
　　一、課本實驗
　　
　　【實驗2－7】在兩支試管中分別加入3mL稀鹽酸，將兩個各0.3gNaCO或NaHCO粉末的小氣球分別套在兩支試管口。將氣球內的NaCO和NaHCO同時倒入試管中，比較它們放出CO的快慢（圖2—8）。
　　由此實驗得出的結論是：NaCO和NaHCO都能與稀鹽酸反應，且NaHCO與稀鹽酸的反應比NaCO的劇烈得多。
　　二、實驗目的
　　1.比較劇烈程度
　　從原教材的實驗結論“NaHCO和NaCO都能與稀鹽酸反應，但NaHCO與稀鹽酸的反應要比NaCO與稀鹽酸的反應劇烈得多”可以看出，這一實驗的直接目的是為了比較反應的劇烈程度，即比較反應速率。
　　對于不同種物質與某一特定物質反應的速率研究一般以等時間、同濃度為前提，以同一反應物的消耗速率或同一生成物的生成速率進行比較。但對于不同的反應，其反應速率的比較是十分復雜的，它不僅與反應物的濃度和反應時間有關，而且與化學反應的機理密切相關。因此，許多教材中指出“比較CO氣體放出的快慢”，而非“比較反應快慢”，更不會是“比較反應速率”，同時限定了反應物的用量，即NaHCO和NaCO為等物質的量，鹽酸需適量。如蘇教版化學2中設置的實驗方案是：“取兩支試管，分別加入5mL 0.1 mol∕L NaCO溶液、NaHCO溶液，再各加入3mL 0.1 mol∕L鹽酸。觀察并比較兩個反應中CO氣體放出的快慢。”這一實驗方案有效地控制了NaCO、NaHCO的用量，以及鹽酸的用量和濃度，同時也避免了使用“比較反應速率”這一欠妥的說法。
　　2.探索反應規律
　　NaCO和NaHCO與鹽酸反應的實驗目的絕非只是研究產生CO的快慢，否則就沒有必要對實驗中稀鹽酸的用量進行嚴格的限制。它至少還隱藏著對化學反應規律的探索。
　　當鹽酸的量足夠時，NaCO完全反應，NaCO+2HCl=2NaCl+HO+CO↑；當鹽酸的量不足時，產生的CO與剩余的NaCO反應生成NaHCO，NaCO+HO+CO=2NaHCO。綜合上述兩個反應即得到NaCO+HCl=NaCl+NaHCO，離子方程式為CO+H=HCO，即在加入少量鹽酸的時候，NaCO不能釋放出CO。
　　通過反應規律的探索，可以得出結論：CO與鹽酸的反應本質是CO分兩步得到H逐步轉變成HCO、CO；但HCO只要接受H立即就會產生CO。
　　三、改進原因
　　1．0.3g NaCO和NaHCO分別與足量的鹽酸反應，通過計算本身是NaHCO與鹽酸反應產生的氣體要多一些，作為對比實驗數據不夠恰當。
　　2.課本上的實驗僅僅區分了NaCO和NaHCO分別與鹽酸反應的快慢，但是它沒有從本質上去解釋為什么NaCO與鹽酸反應要慢一些，而NaHCO與鹽酸反應要快一些。
　　3.在同時倒置氣球的過程中，有可能兩種固體不能同時與鹽酸接觸反應。另外，固體裝在氣球里面，在倒置時有可能粘在氣球內壁或小試管的上方，使得反應不夠充分。
　　4.實驗中，采用的氣球較軟，一個人同時操作較困難，且氣球膨脹后體積不同而產生的壓力也不一樣，對反應速率有影響，效果不是很好。
　　5.稀鹽酸濃度不明確，在實驗的過程中不好把握。稀鹽酸濃度大于1mol/L，在同時加入NaHCO和NaCO固體中時，反應現象都是同樣的劇烈，基本分辨不出NaHCO和NaCO。只有濃度小于1mol/L的稀鹽酸與碳酸鈉和碳酸氫鈉反應，才能從反應的劇烈程度區分開來。
　　6.稱取等質量碳酸鈉和碳酸氫鈉，但是兩個物質的量不同。物質的量大，得到的溶液濃度也大，速率也大。因此，研究的濃度不能相等，實驗就沒有可比性。
　　四、改進方案
　　1.實驗原理
　　HCl+NaCO=CO↑+HO+NaCl
　　HCl+NaHCO=CO↑+HO+NaCl
　　2.儀器和試劑
　　儀器：大玻璃管（2支）、氣球（2只）、橡皮塞、注射器、滴定臺、滴定夾。
　　試劑：鹽酸（0.5mol/L）、NaCO（0.8mol/L）、NaHCO（0.8 mol/L）。
　　3.步驟和過程
　　1）按如圖所示組裝實驗儀器，并檢查裝置的氣密性。
　　2）在注射器中各裝入2mL 0.5mol/L的鹽酸溶液。
　　3）在玻璃管中各裝入10mL 0.8mol/L的NaCO溶液和NaHCO溶液。
　　4）在兩玻璃管的頂部各套一相同規格的氣球。
　　5）推動注射器同時注入1mL鹽酸溶液，仔細觀察氣球的變化。
　　6）繼續推動注射器并同時注入剩余的1mL鹽酸溶液，觀察氣球的變化。
　　4.實驗現象
　　1）當注入1mL鹽酸溶液，可以看到盛裝NaHCO溶液的玻璃管上方的氣球鼓起來了，但盛裝NaCO溶液的玻璃管上方的氣球沒有鼓起來。
　　2）當再次注入剩余的1mL鹽酸溶液，盛裝NaCO溶液的玻璃管上方的氣球也鼓起來。
　　5.實驗注意事項
　　1）裝置中的氣密性必須良好，這是實驗成功的關鍵。
　　2）用針筒注入稀鹽酸時應緩慢、同步。
　　3）各溶液最適宜的濃度分別為：稀鹽酸0.5mol/L，碳酸鈉0.8mol/L，碳酸氫鈉0.8mol/L。
　　4）碳酸氫鈉溶液應現配現用。