基于對比實驗和創新實驗的化學教學

伍強+黃晶+杜金鈴

摘要：分析了教材中碳酸鈉和碳酸氫鈉相關的內容，認為應設計對比實驗來探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質。分析了相關實驗的設計，認為實驗設計還有創新的空間。指出學生在學習中存在的困惑問題及教師在教學時遇到的困擾問題，認為教學環節的設計和相關實驗的創新必須解決教與學的問題。通過對比實驗教學，學生能較好地領悟物質化學反應原理、了解科學探究方法。通過學生實驗探究和教師創新實驗演示并進的多種實驗探究活動，培養學生的創新思維能力。

關鍵詞：碳酸鈉；碳酸氫鈉；對比實驗；創新實驗；實驗教學

文章編號：1005–6629（2017）4–0059–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

《化學教學》期刊設置了“實驗創新設計”的欄目，展示了豐碩的實驗創新成果。但從目前教學期刊上發表的“碳酸鈉和碳酸氫鈉”教學課例來看，將實驗創新成果融入課堂教學的現狀并不樂觀。如比較Na2CO3和NaHCO3的熱穩定性選用套管實驗，二者與酸反應仍用等質量的Na2CO3和NaHCO3粉末與稀鹽酸反應的實驗，CO2氣體與Na2CO3溶液反應采用CO2氣體通入飽和Na2CO3溶液實驗的剪輯視頻。目前部分教師還存在一種錯誤的認識，認為按照教科書上的實驗方案做了實驗探究，就能很好地完成了實驗教學。殊不知教科書編寫的意圖是“要有助于發揮化學教師的創造性，應留給教師較大的創造空間，使教師在實踐中充分發揮教學的主動性和創造性”[1]。為此，筆者嘗試將實驗創新成果融入課堂教學，試圖培養學生的創新思維能力。

1 課程標準和教材內容分析

課程標準指出：根據生產、生活中的應用實例或通過實驗探究，了解鈉等金屬及其重要化合物的主要性質[2]。Na2CO3和NaHCO3的性質是人教版《化學1》“科學探究”的內容，就二者的外觀、水溶性、溶解熱效應、溶液酸堿性和熱穩定性進行了實驗探究，二者與稀鹽酸的反應只要求寫出反應的離子方程式[3]。人教版強調對比實驗的設計，卻忽視了二者與稀鹽酸反應的實驗探究。同樣，蘇教版《化學1》“活動與探究”的內容，對澄清石灰水和CaCl2溶液分別與Na2CO3溶液反應、濃鹽酸與Na2CO3溶液反應、用pH試紙測定Na2CO3溶液pH和Na2CO3溶液去油污性能進行了實驗探究，同時教材提供了Na2CO3和NaHCO3的性質比較信息，要求設計實驗方案區別Na2CO3和NaHCO3的固體[4]。蘇教版強調Na2CO3性質的實驗探究，卻忽視了NaHCO3性質的實驗探究。從兩個版本的教材內容分析，在實施教學過程中，應增加設計對比實驗來探究Na2CO3和NaHCO3的性質。

2 相關實驗設計的分析

2.1 Na2CO3、NaHCO3的固體熱穩定性實驗

人教版方案是將Na2CO3和NaHCO3的固體分別裝在兩支試管中，用酒精燈加熱，將可能生成的氣體通入澄清石灰水中，實驗現象明顯。缺點是分別做兩次實驗，需兩次加熱，實驗加熱環境不同，因此實驗對比性差。為使實驗對比性強，已有套管實驗設計。實驗裝置如圖1所示，實驗現象明顯，且只需一次加熱。但此實驗把不易分解的Na2CO3固體放在溫度較高的外管，把易分解的NaHCO3固體放在溫度較低的內管。這是在NaHCO3比Na2CO3容易分解的前提下設計的，實驗預設性太強，缺乏探究性。

2.2 Na2CO3、NaHCO3與稀鹽酸反應的實驗

人教版全日制普通高級中學教科書設計了Na2CO3和NaHCO3粉末與稀鹽酸反應的對比實驗。實驗如下：“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。[5]”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一個影響因素，因此不符合對比實驗基本要求。現行人教版刪除了這個實驗，要求學生寫出Na2CO3、NaHCO3與稀鹽酸反應的離子方程式。蘇教版設計了Na2CO3溶液與濃鹽酸反應實驗，仍不能解決Na2CO3溶液和稀鹽酸發生分步反應的機理。

2.3 飽和Na2CO3溶液與CO2氣體反應的實驗

有教師認為，向飽和Na2CO3溶液中通入CO2氣體沒有什么好研究的，NaHCO3溶解度比Na2CO3小，通入CO2氣體后很快會析出白色晶體，教材沒有要求做此實驗就不做了。筆者用啟普發生器快速生成CO2氣體，通入飽和Na2CO3溶液中，20幾分鐘后才有微量晶體析出[6]，做過此實驗的教師都認為不適宜作課堂演示實驗。有教師在課堂中演示了如下實驗：用大理石與稀鹽酸反應生成的CO2氣體和用雪碧（飲料）產生的CO2氣體，分別通入飽和Na2CO3溶液中，約3min均出現白色沉淀[7]。該教師將CO2氣體通入過飽和Na2CO3溶液中，析出的是碳酸鈉晶體。

從以上三個實驗設計分析可知，實驗設計還有創新的空間。

3 學生學習困惑和教師教學困擾

3.1 Na2CO3溶液與稀鹽酸分步反應

向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸發生分步反應的機理（Na2CO3+HCl=NaHCO3+NaCl；NaHCO3+HCl=H2O+CO2↑+NaCl）在高考和會考中時有出現。學生的困惑：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。教師的困擾：向盛有Na2CO3溶液的試管中滴加稀鹽酸至過量，起初產生少量微小氣泡，隨后產生氣泡似乎增多，實驗現象不直觀，不能斷定是否生成了NaHCO3，只能在理論層面上給學生講述分步反應機理。

3.2 Na2CO3溶液與CO2氣體反應

用大理石與稀鹽酸反應生成的CO2氣體中含有HCl氣體，教師強調因CO2氣體會與Na2CO3溶液反應生成NaHCO3，則通過飽和NaHCO3溶液洗氣來除去HCl氣體，不能通過Na2CO3溶液洗氣。學生的困惑：教師沒有做過CO2氣體與Na2CO3溶液反應實驗，只是作了類比推理。教師的困擾：CO2氣體通入飽和Na2CO3溶液實驗不適宜作課堂演示實驗，只能作類比推理。CO2氣體能與CaCO3懸濁液反應生成Ca（HCO3）2溶液，則CO2氣體也能與Na2CO3溶液反應生成NaHCO3。

學生在學習中存在困惑問題，教師在教學時遇到的困擾問題，教學環節的設計和相關實驗的創新必須解決教與學的問題。

4 教學過程的設計

本節課設計了五個環節，一環扣一環，有效集中學生的注意力。

4.1 鈣化合物的轉化關系

[問題] Ca（OH）2微溶于水，澄清石灰水濃度小。向澄清石灰水中不斷通入CO2氣體將會出現什么現象？

[學生]澄清石灰水變渾濁。

[追問]后來呢？不知道（學生）。

設計意圖：通過實驗再現鈣化合物性質，構建鈣化合物轉化關系，以此類推鈉化合物轉化關系。

4.2 溶解度、溶液酸堿性、熱穩定性

4.2.1 溶解度

[講述]固體物質在水中的溶解性分易溶（大于10g）、可溶（10～1g）、微溶（1～0.01g）、難溶（小于0.01g），在20℃時Na2CO3溶解度為21.5g、NaHCO3溶解度為9.6g。

[學生] Na2CO3屬易溶、NaHCO3屬可溶。

4.2.2 溶液酸堿性

[過渡] Na2CO3屬于鹽類，為什么俗稱純堿？

[學生] Na2CO3溶液可能呈堿性。

[學生實驗]取兩支試管分別加入少量1mol·L-1 Na2CO3、NaHCO3的溶液，請用pH試紙測定溶液pH，然后滴加酚酞溶液觀察顏色變化。

[實驗結果] Na2CO3、NaHCO3溶液pH分別為 12和8，滴加酚酞溶液分別呈現紅色和粉紅色。

4.2.3 熱穩定性

[過渡] CaCO3高溫分解，Ca（HCO3）2加熱分解，Na2CO3、NaHCO3固體熱穩定性如何？

[問題]請同學設計實驗，比較Na2CO3、NaHCO3固體的熱穩定性。

[學生實驗]取少量NaHCO3固體于試管中，并加熱，將可能產生的氣體通入澄清的石灰水中，以同樣的方法加熱Na2CO3固體實驗。

[實驗結果] NaHCO3固體易分解。

[演示實驗]展示如圖3所示的油浴法實驗裝置，做簡單的介紹，然后點燃酒精燈加熱約2分鐘，食用油溫度升高至130～140℃時，右側的澄清石灰水無明顯現象，左側的澄清石灰水變渾濁[8]。

[實驗結果]NaHCO3固體易分解，Na2CO3難分解。

[學生] 2NaHCO3△=Na2CO3+CO2↑+H2O

設計意圖：掌握Na2CO3、NaHCO3溶解性和溶液酸堿性為以下實驗探究奠定基礎。油浴法實驗具有很好的對比性、探究性、直觀性和簡約性，可以粗略地測定NaHCO3分解的溫度，學生對其熱的不穩定性印象深刻。能拓展學生的知識面，培養學生的創新能力。

4.3 與酸反應

4.3.1 與稀鹽酸反應

[學生實驗]取兩支試管分別加入少量1mol·L-1 Na2CO3、NaHCO3的溶液，然后分別滴加1mol·L-1 鹽酸。

[實驗現象]向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量，起初產生少量微小氣泡，隨后產生氣泡逐漸增多。向NaHCO3溶液中滴加稀鹽酸，立刻產生大量氣泡。

[教師]請寫出反應的化學方程式。

[學生] Na2CO3+2HCl（過量）=2NaCl+H2O+ CO2↑，NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑。

[設疑]向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量，起初產生少量微小氣泡，隨后產生氣泡逐漸增多，可能還發生其他反應。

[教師]展示如圖4所示的恒壓式實驗裝置[9]，作簡單介紹。

實驗1 向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸至過量

[演示實驗]如圖4裝置。在廣口瓶中加入1mol·L-1 Na2CO3溶液20mL，再滴入幾滴酚酞溶液，在分液漏斗中加入1mol·L-1鹽酸40mL。打開磁力攪拌器，攪拌待反應溶液。然后打開分液漏斗活塞，滴入約20mL稀鹽酸，關閉活塞。溶液由紅色變成粉紅色，反應沒有氣泡產生，氣球沒有增大。

[問題]反應沒有氣體生成，溶液變成粉紅色，反應生成了什么物質？

[學生]生成了NaHCO3。

[師生] Na2CO3+HCl（少量）=NaHCO3+NaCl。

[演示實驗]再次打開分液漏斗活塞，滴入剩余約20mL稀鹽酸。溶液由粉紅色變成無色，反應產生氣泡，氣球逐漸增大。

[教師] NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑（已寫出）。

實驗2 向稀鹽酸中滴加Na2CO3溶液至過量

[演示實驗]如圖4裝置。在廣口瓶中加入1mol·L-1鹽酸40mL，再滴入幾滴酚酞。在分液漏斗中加入1mol·L-1 Na2CO3溶液40mL。打開磁力攪拌器，攪拌待反應溶液。然后打開分液漏斗活塞，滴入Na2CO3溶液約20mL，關閉活塞。溶液保持無色，反應產生氣泡，氣球逐漸增大。

[教師] Na2CO3+2HCl（過量）=2NaCl+H2O+ CO2↑（已寫出）。

[演示實驗]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氣體反應速率很慢。

設計意圖：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，也讓學生了解某些化學反應的可控性。

4.3.2 飽和Na2CO3溶液與CO2氣體反應

[過渡] Na2CO3溶液能與稀鹽酸反應，Na2CO3溶液能不能與CO2氣體反應呢？

[師生實驗]取盛有CO2氣體的500mL普通礦泉水瓶，注入20mL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分鐘析出較多白色晶體并出現白色渾濁現象[10]。

[問題]白色晶體是什么物質？

[學生] NaHCO3晶體。

[師生] Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3。

[教師]反應時水的量幾乎不變，為什么能析出NaHCO3晶體。

[學生]NaHCO3溶解度比Na2CO3小。

設計意圖：通過實驗探究，能讓學生深刻領悟Na2CO3溶液和CO2氣體反應的原理，NaHCO3溶解度比Na2CO3溶解度小的物理性質。說明：寒冷天氣實驗時，劇烈振蕩礦泉水瓶1～2分鐘，礦泉水瓶變癟，說明發生了反應，然后用溫水浸泡礦泉水瓶后再振蕩析出晶體；或者放置較長時間后自然析出晶體。

5.3 師生實驗探究并進，培養創新思維能力

對同一個化學反應，通過學生實驗探究和教師創新實驗演示并進的多種實驗探究活動，會引發學生認知的沖突，營造問題情境，激發學生探究的欲望。用油浴法實驗裝置探究Na2CO3、NaHCO3固體的熱穩定性，使學生感受到設計的實驗應具有科學性、可行性和簡約性。用恒壓式實驗裝置探究Na2CO3溶液與稀鹽酸互滴反應，使學生感受到某些化學反應的可控性。師生實驗探究并進，使學生體驗實驗探究的過程，激發學習化學的興趣，強化科學探究的意識，培養了學生的創新思維能力。

參考文獻：

[1][2]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003：40，11.

[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，2007：56～57.

[4]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（第6版）[M].南京：江蘇教育出版社，2014：50～52.

[5]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.

[6][10]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）：56～57.

[7]游梅.一個大膽的猜想贏來的成功[J].中學化學教學參考，2014，（7）：37.

[8][11]伍強.碳酸鈉和碳酸氫鈉性質對比實驗的研究[J].化學教學，2015，（12）：48～50.

[9]伍強.碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應實驗的創新設計[J].化學教學2016，（8）：64.