新課程背景下碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性對比實驗的創新研究

孫文平 趙長春

摘要：近年來有關碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性的實驗設計既是熱點也是難點。通過對課程標準和教材有關碳酸鈉和碳酸氫鈉內容的描述，筆者發現應該設計對比實驗來探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性更有利于學生理解和掌握。但在分析已知的對比實驗的設計，這些實驗設計都有存在的問題有待解決。本研究在評析現有實驗方案的基礎上，提出更為科學的創新實驗設計，以及設計對比實驗所依據的原則，對于碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性性質比較的教學上提供新的思路和方法，讓學生更加深刻的了解對比實驗的方法，從而提升學習效果。

關鍵詞：對比實驗;熱穩定性;創新設計

碳酸鈉和碳酸氫鈉是高中階段兩種重要的有關鈉的化合物，兩者性質上既有相似又有不同，在高考化學試題中也是作為高頻考點出現。通常大部分教師在碳酸鈉和碳酸氫鈉性質的教學上采用對比法，加深學生對兩種物質在物理或化學性質上的差異和聯系的理解，收到很好的教學效果。但是在講解碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性時，很多教師往往通過閱讀教材實驗內容，給同學們描述實驗現象，直接給出實驗結論，碳酸鈉比碳酸氫鈉熱穩定性更好。還有一些教師帶領學生做實驗或是演示實驗，但是也容易忽略實驗的嚴謹性和科學性。本研究正是在此基礎上，在梳理之前的有關碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性對比實驗的方案，找出存在的問題和不足，依據設計對比實驗的基本原則，提出更為科學的實驗設計方案，以期在教學上提供新的思路和方法，讓學生更加深刻的了解對比實驗的方法，從而提升學習效果。

一、新課程標準和教材內容的闡述。

1.1新課標要求

依據普通高中化學課程標準（2017版）對于碳酸鈉和碳酸氫鈉的知識要求對應的是“主題2：常見的無機物及其應用，第四個小標題2.4金屬及化合物”，具體內容要求：“了解鈉及其重要化合物的主要性質，了解這些物質在生產、生活中的應用”。^[1]課標在學習活動建議上注重碳酸鈉和碳酸氫鈉性質比較在實驗及探究活動上聯系，教學策略方面，重視開展高水平的實驗探究活動。

1.2教材內容展示

依據人教版普通高中課程標準實驗教科書化學必修一，有關碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性相關實驗探究在第三章金屬及其化合物第二節幾種重要的金屬化合物第56頁中科學探索部分。碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質探究第二個問題，碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性探究實驗，實驗裝置如下圖所示：

利用上述裝置分別用碳酸氫鈉和碳酸鈉做實驗，觀察現象。教材實驗是將碳酸氫鈉和碳酸鈉分別加熱在通過玻璃管通入澄清石灰水中，如果澄清石灰水變混濁，則說明產生二氧化碳氣體，進而證明該物質熱穩定性差。該實驗設計優點實驗現象明顯，裝置簡單，缺點是對比性差，加熱兩次浪費能源，不符合經濟環保的原則。

二、已有對比實驗設計分析

2.1經典套管實驗

整套實驗裝置如圖2-1所示，外層的達試管裝的是碳酸鈉固體，內層裝入碳酸氫鈉固體，并在兩套管外分別用玻璃管連裝有澄清石灰水的大試管，加熱。發現試管1中澄清石灰水變混濁，試管2中澄清石灰水基本無變化，則可證明碳酸氫鈉熱穩定較差。

本實驗利用一次實驗即可證明碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性，內層試管溫度比外層試管溫度低還分解即證明碳酸鈉熱穩定性比碳酸氫鈉好。本實驗優點是裝置簡單，現象易于對比，與兩次加熱相比更節約能源。但是本實驗我們前提預設碳酸氫鈉比碳酸鈉更易分解是已知結論，從探究實驗的角度來看，為什么不把碳酸氫鈉裝在外管，碳酸鈉裝在內管？在我們已知結論再去設計實驗方案不科學。如果在做一組對比實驗，就跟之前教材實驗沒有什么差別，反而更麻煩。

2.2長柄V型玻璃管實驗^[2]

實驗裝置如圖2-2所示，將2個長柄V型玻璃管按水平并排緊挨在一起，然后固定到鐵架臺上，將長柄玻璃管的左端略向下傾斜，防止樣品加熱時產生的冷凝水回流炸裂玻璃管。將酒精燈放在固體的正下方，讓酒精燈的外焰同時加熱碳酸鈉和碳酸氫鈉。觀察石灰水的現象即可判斷兩者的穩定性。

2-2長柄V型玻璃管實驗

本實驗的優點較之前的設計方案，集成性更高，裝置更為簡單，利用長柄V型玻璃管這個特殊形制的玻璃儀器使得組裝儀器更為簡單方便，提高實驗教學的效率。實驗設計簡單的同時又造成新的問題，本實驗讓酒精燈的外焰同時加熱碳酸鈉和碳酸氫鈉，使兩者同時受熱，但是在實驗過程中隨空氣流動，酒精燈的外焰不穩定，所以兩者受熱環境還是有所不同。其次，本實驗要保證碳酸鈉和碳酸氫鈉放入玻璃管的位置相同，具體實驗操作難度大，不易控制。

三、創新實驗方案的設計

3-1創新實驗設計依據的原則

（1）要符合化學實驗設計方案的基本原則

如遵循科學性原則、可行性原則、簡約性原則、安全性原則。教材的實驗就沒有很好的注重簡約性原則，兩次實驗加熱浪費能源;套管實驗是已知結論在設計方案沒有很好的遵循科學性原則。

（2）創新實驗的效果要明顯優于之前的實驗

創新實驗就是在已知之前實驗的優缺點的基礎上加以改進，使實驗方案更為科學合理，改進已有實驗的缺點或不足，使實驗效果更為明顯。長柄V型玻璃管實驗較套管實驗，對比性更強更為直觀，組裝儀器更為簡單。

（3）創新實驗方案的設計要以課堂教學為依托

在設計創新實驗時要考慮實施具體環境，以及改進的價值，改進后實用性如何，經濟成本和推廣性也需要考慮。本實驗的創新方案要在課堂教學中加以實施，長柄V型玻璃管的實驗裝置很巧妙，但是在中學階段，學校沒有此類儀器，需要額外購置。

3-2具體創新實驗設計

碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性對比實驗的創新實驗裝置如圖3-1所示，首先取兩個根等長的口徑較粗的玻璃管，用酒精燈外焰將玻璃管一端封閉，另一端適當位置彎成一定弧度（不要角度太小不利于藥品的加入）。從開口的一端分別將碳酸鈉和碳酸氫鈉裝入端口封閉的玻璃管中，通過膠管連接另一的玻璃管通入澄清石灰水中。再將兩個端口封閉的玻璃管放入盛有植物油的大試管中（植物油可以選擇蓖麻油），將實驗裝置按圖安裝好，點燃酒精燈開始實驗。

本實驗的優點，第一，相對于套管實驗和長柄V型玻璃管實驗，采用油浴的方法，對碳酸鈉和碳酸氫鈉同時加熱，兩者受熱環境相同，溫度一致，得出的結論更有說服力。第二，本實驗一次加熱，節約能源，符合化學實驗設計方案的基本原則。第三，本實驗對比性相較于其它實驗對比性更強，現象更加明顯。第四，開拓學生視野，豐富學生的知識體系。本實驗采用油浴的方法而不是學生們熟悉的水浴加熱的方法，是因為碳酸氫鈉受熱分解溫度較高，普通的水浴加熱無法滿足實驗條件，故采用溫度更高的油浴方法。

通過本創新實驗，加深學生對于對比性實驗設計要求的理解，體會化學實驗的科學之美，實驗之樂。增強學生對于教材傳統實驗的探究意識，激發學生的創造力，不墨守成規，敢于質疑，提出更為科學的方案。

四、結論與展望

在新課程背景下，對我們一線的教研人員提出更高的要求，對于一些傳統的經典實驗或是其改進實驗，需要我們重新審視，提出更為科學嚴謹的實驗設計方案。本研究梳理已有的對于碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性對比實驗方案，提出了更為科學的實驗創新方案，采用油浴法探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性，更好的展現了化學實驗設計的科學性、可行性、簡約性、安全性。限于時間和精力有限，未能將更多的已有的實驗方案列舉出來，本研究僅對比較常見的兩個實驗方案加以論述。在以后的研究中，我們還可以嘗試將計算機互聯網技術應用于本實驗中。比如將傳感器技術來與碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性對比進行聯系，將實驗結果通過數據反饋到電腦終端進行數據處理，通過數據或是圖像定量化的進行研究，以期達到更好的教學效果。

【本文系黑龍江省教育科學“十三五”規劃2018年度重點課題《基于化學學科素養的高中化學實驗課堂新模式的探究》階段成果之一，課題立項號：?JJB1318042】

參考文獻：

[1]普通高中化學課程標準（2017年版）[M]. 北京：人民教育出版社，2018：

[2]陳立銘，李德前.利用長柄V型玻璃管比較碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性[J].化學教育，2014， （21）：56.

[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.