“驗證二氧化碳和氫氧化鈉發生反應”的數字化實驗設計

周文榮++錢麗

摘要：利用數字化實驗，采用氣壓、二氧化碳濃度、溫度、pH四種傳感器分別測量氫氧化鈉與二氧化碳反應過程中四者的變化，減少多次重復操作，簡化實驗操作步驟，節約實驗藥品，實現實驗的綠色化及反應過程中氣壓、二氧化碳濃度、溫度三者的同步變化，拓展探究“無明顯現象的反應”的多維視角，體現初中化學實驗從傳統走向現代、從靜態走向動態、從定性走向定量的走向。

關鍵詞：數字化實驗；綠色化；同步變化；多維視角

文章編號：1008-0546（2017）07-0096-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.030

氫氧化鈉和二氧化碳的反應是初中化學非常重要的一個反應，滬教版的初中化學教材中并未編寫相關的實驗來探究該反應的發生。很多一線化學教師進行了大量的研究，例如檢驗產物碳酸鈉法、噴泉法、瓶子或氣球變癟法、瓶吞雞蛋法等，給我們提供了很好的學習和借鑒的機會，但這些研究主要指向于對產物碳酸鈉的檢驗以及氣體壓強的變化，在不同反應物濃度的變化、反應能量的變化方面還存在很大的探究空間。本實驗采用氣壓、二氧化碳濃度、溫度、pH四種傳感器分別測量氫氧化鈉與二氧化碳反應過程中四者的變化，從多個視角來探究該反應的發生。

一、儀器藥品

1. 儀器

實驗一：

分液漏斗、錐形瓶、導管、橡皮塞、四頸燒瓶（如圖1）及配套橡膠塞、注射器（60mL）、氣壓傳感器、二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、數據采集器、電腦

實驗二：

分液漏斗、錐形瓶、導管、橡皮塞、燒杯、pH傳感器、數據采集器、電腦

2. 藥品：氫氧化鈉溶液、石灰石、稀鹽酸

二、實驗裝置圖

三、實驗原理

實驗一：

二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應使四頸燒瓶內二氧化碳氣體濃度不斷減小，氣壓逐漸變小，溫度逐漸升高。通過二氧化碳濃度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器同時采集數據繪制成三條變化曲線。再通過對比二氧化碳與氫氧化鈉反應、二氧化碳與水反應三條曲線的變化趨勢得出結論。

實驗二：

二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應使得氫氧化鈉濃度不斷減小，通過pH傳感器采集數據繪制成pH變化曲線。通過分析pH曲線變化趨勢得出結論。

四、操作要點

實驗一：

1. 清洗傳感器并進行校準。

2. 在四頸燒瓶中收集滿二氧化碳，將裝有50mL濃氫氧化鈉溶液的注射器、二氧化碳濃度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器分別與四頸燒瓶相連，同時將傳感器、采集器、電腦連接好，設置好采集頻率、采集時間。

3. 將氫氧化鈉溶液全部推入四頸燒瓶中，點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

4. 將注射器中的氫氧化鈉溶液換成等量的水重復上面的操作。

實驗二：

1. 清洗傳感器并進行校準。

2. 在錐形瓶和分液漏斗中加適量大理石和稀鹽酸，將pH傳感器、裝有氫氧化鈉溶液的錐形瓶、數據采集器及電腦連接好，設置好采集頻率、采集時間。

3. 打開分液漏斗活塞，把稀鹽酸滴入錐形瓶中，點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

說明：基于初中學生的已有基礎，同時考慮到在課上演示的實驗效果，本實驗使用pH在12-13之間的氫氧化鈉溶液。

五、實驗現象與結論

1. 實驗一（如圖4）由二氧化碳濃度傳感器、氣壓傳感器采集的數據繪制成的曲線呈不斷下降的趨勢，且二氧化碳與氫氧化鈉反應比二氧化碳與水反應變化更明顯；由溫度傳感器采集的數據繪制成的曲線呈不斷上升的趨勢，且二氧化碳與氫氧化鈉反應比二氧化碳與水反應變化更明顯。上述兩個現象從反應物二氧化碳濃度的減少及能量變化的視角說明了二氧化碳和氫氧化鈉發生了反應，而不僅僅是與水發生了反應。（說明：目前中學實驗室使用的各種品牌的二氧化碳傳感器量程最大為100000ppm，所以一開始二氧化碳濃度和時間曲線看似沒有變化，實際上也是呈不斷下降趨勢的。）

2. 實驗二（如圖5）由pH傳感器采集的數據繪制成的曲線呈不斷下降的趨勢。此現象從另一個反應物氫氧化鈉中氫氧根離子濃度減少的視角說明了二氧化碳和氫氧化鈉發生了反應。

六、實驗創新之處

1. 改進了實驗裝置，實現了實驗的綠色化

四頸燒瓶的使用，通過一次實驗完成了氣壓、二氧化碳濃度、溫度三者變化的測定，減少了用抽濾瓶、三頸燒瓶作為反應裝置時的多次重復操作，簡化了實驗操作步驟，節約了藥品，實現了實驗的綠色化。

2. 實現了觀察氣壓、二氧化碳濃度、溫度同步變化

用抽濾瓶作為反應裝置時，只能單一地觀察到氣壓、二氧化碳濃度、溫度某一方面的變化，通過此實驗一的裝置，可以清晰地觀察到反應過程中氣壓、二氧化碳濃度、溫度三者的同步變化。

3. 拓展了探究“無明顯現象的反應”的視角

一線教師已有的研究主要集中在對產物碳酸鈉的檢驗以及氣體壓強的視角上，本實驗從不同的反應物（二氧化碳、氫氧化鈉）以及反應物濃度（二氧化碳濃度、氫氧根離子的濃度）、化學反應能量的視角進行了拓展，完善了從反應物的減少、生成物的產生、反應能量的變化來探究“無明顯現象的反應”的多維視角。

4. 體現了初中化學實驗的三個走向

通過數字化實驗的應用，體現了初中化學實驗從傳統走向現代；通過電腦曲線隨時間的不斷變化，體現了化學實驗從靜態走向動態；通過從開始到結束，數據的不斷變化，體現了化學實驗從定性走向定量。

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