碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應實驗的創新設計

伍強 方瑞光

摘要：為探究碳酸鈉溶液與稀鹽酸分步反應的機理，設計了恒壓式實驗裝置。用該實驗裝置探究碳酸鈉溶液與稀鹽酸互滴反應的過程，解析了向碳酸鈉溶液中滴加稀鹽酸至過量發生分步反應的實驗教學難點問題，有助于在教學中使學生能更好地領悟相關的化學反應原理。

關鍵詞：碳酸鈉；碳酸氫鈉；互滴反應；創新設計；實驗探究

文章編號：1005–6629（2016）8–0063–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

Na2CO3與鹽酸發生分步反應，反應先生成NaHCO3，NaHCO3再與鹽酸反應生成CO2，實驗探究該分步反應的機理一直是教材和教師要解決的難點問題。在實驗教學中，有兩種實驗探究該分步反應機理的方案。第一種方案：設計Na2CO3和NaHCO3固體與稀鹽酸反應的對比實驗，根據NaHCO3與稀鹽酸反應比Na2CO3與稀鹽酸反應劇烈的實驗現象，推測Na2CO3與鹽酸發生分步反應。第二種方案：設計向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量的實驗，根據反應溶液的酸堿性強弱變化和生成CO2氣體等實驗現象，斷定Na2CO3與鹽酸發生分步反應。

人教版全日制普通高級中學教科書設計Na2CO3和NaHCO3固體與稀鹽酸反應的對比實驗來解決此難點問題。實驗操作如下：“在兩支試管中分別加入3mL稀鹽酸，將兩個各裝0.3g Na2CO3或NaHCO3粉末的小氣球分別套在兩支試管口。將氣球內的Na2CO3和NaHCO3同時倒入試管中。[1]”通常觀察到NaHCO3固體與稀鹽酸反應速率比Na2CO3固體與稀鹽酸反應速率大。事實上，兩個反應速率大小與如下三個因素有關：一是 Na2CO3與鹽酸發生分步反應；二是顆粒大小，無水Na2CO3固體顆粒較大，NaHCO3晶體顆粒較小；三是熱效應，Na2CO3固體溶解以及與鹽酸反應均是放熱，NaHCO3晶體溶解以及與鹽酸反應均是吸熱。兩個反應速率大小除了Na2CO3與鹽酸發生分步反應的影響因素外還有兩個影響因素，而對比實驗中只考慮了一個影響因素，因此不符合對比實驗的基本要求[2]。如果稀鹽酸濃度較大，熱效應起了明顯作用，還會出現NaHCO3固體與稀鹽酸反應速率比Na2CO3固體與稀鹽酸反應速率小的實驗現象。

1 實驗設計的目的和思路

向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量發生分步反應，通常是在試管中進行，實驗現象不直觀，不適宜作課堂演示實驗，因此教師往往忽略此實驗。在教學中，教師只是在理論層面上給學生講述分步反應的機理，學生難以理解。學生受“鹽和酸反應生成新鹽和新酸”的定向思維影響，總認為向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸就會生成NaCl和CO2氣體。

向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸，由于局部鹽酸濃度過大，在生成NaHCO3時又會生成CO2氣體，因此用磁力攪拌器攪拌反應物，使反應物充分接觸生成NaHCO3。實驗時產生CO2氣泡，由于微小的氣泡難以觀察且很快消失，因此用氣球收集CO2氣體，根據氣球大小來判斷生成CO2氣體的多少。Na2CO3溶液和NaHCO3溶液分別使酚酞溶液呈現紅色和粉紅色，因此在Na2CO3溶液中加入酚酞指示劑，滴加稀鹽酸時若溶液呈現粉紅色，又沒有CO2氣體生成，可判斷Na2CO3轉化為NaHCO3。

2 實驗儀器及試劑

實驗儀器：60mL分液漏斗（有體積刻度的）、250mL廣口瓶、磁力攪拌器

實驗試劑：1 mol·L-1 Na2CO3溶液、1 mol·L-1鹽酸、酚酞溶液

3 實驗裝置的設計

設計的恒壓式實驗裝置如圖1所示。在250mL廣口瓶的橡皮塞中，打三個小孔，中間小孔插入分液漏斗，兩邊兩個小孔分別插入玻璃管，一管與氣球連接，另一管用橡皮管與60mL分液漏斗上口的導管連接，要求裝置氣密性良好。用導管將分液漏斗上口與廣口瓶連通，目的是保持壓強平衡，分液漏斗中液體能順暢流下。反應生成氣體，氣球增大。廣口瓶置于磁力攪拌器上，磁力攪拌器用于攪拌反應物。

4 實驗操作、現象和結論

實驗1 向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量

（2）再次打開分液漏斗活塞，滴入剩余約20mL Na2CO3溶液。溶液由無色變成紅色，氣球緩慢變小。Na2CO3溶液與CO2氣體反應速度很慢。

說明：Na2CO3溶液和CO2氣體的反應是屬于液相和氣相反應（CO2氣體溶解度不大），只有當劇烈振蕩反應容器時溶液和氣體湍流程度大，對流傳質速率大，反應速度才快，因此現在的實驗條件下反應速度很慢。對于Na2CO3溶液和CO2氣體反應的實驗，可做如下實驗設計[6]：用500mL普通的礦泉水瓶收集CO2氣體，注入17～33mL飽和Na2CO3溶液，旋緊瓶蓋，劇烈振蕩礦泉水瓶1～2分鐘，礦泉水瓶變癟，再放置（或振蕩或將礦泉水瓶與桌面敲打幾下）1～3分鐘析出較多NaHCO3晶體并出現白色渾濁現象。此實驗與溫度有關，氣溫若在15℃以上，在較短時間內就能產生明顯的實驗現象，非常適合于課堂演示實驗。

5 實驗創新的意義

用恒壓式實驗裝置探究Na2CO3溶液與稀鹽酸互滴反應，實驗現象明顯、直觀，解決了向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量發生分步反應的實驗教學難點問題。通過實驗探究，有助于學生更好地領悟Na2CO3溶液與稀鹽酸互滴反應的化學反應原理，理解Na2CO3與鹽酸分步反應的機理，領會化學反應中量變到質變的辯證思想，鞏固了Na2CO3溶液和NaHCO3溶液分別使無色酚酞溶液呈現紅色和粉紅色的實驗現象。用一套實驗裝置完成了多個化學反應原理的實驗教學，達到了一體化設計的目的。

參考文獻：

[1]人民教育出版社化學室.全日制普通高級中學教科書·化學（必修）（第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2003：32.

[2]楊茵.淺談對比實驗在高中化學中的應用[J].化學教學，2015，（2）：34.

[3]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：56.

[4]中華人民共和國教育部制訂.普通高中化學課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003：40.

[5]中國教育學會化學教學專業委員會.全國第十二屆化學實驗教學創新研討會資料匯編[G].廈門：中國教育學會化學教學專業委員會，2015：333.

[6]伍強.飽和碳酸鈉溶液和二氧化碳氣體反應實驗的研究[J].化學教學，2014，（11）：57.