飽和碳酸鈉溶液與二氧化碳反應實驗的再改進

呂善榮

摘要：在參考文獻的基礎上再次對實驗作改進。通過向充滿二氧化碳的試管中注入飽和碳酸鈉溶液，并用水作空白實驗，利用二氧化碳傳感器和pH傳感器對反應后析出的晶體進行定性及定量分析。實驗證明：飽和碳酸鈉在常溫下與二氧化碳反應后析出晶體的主要成分是碳酸氫鈉。認為只要控制好反應條件，本實驗容易取得成功。

關鍵詞：飽和碳酸鈉溶液;二氧化碳;碳酸氫鈉;聯合制堿法;實驗改進

文章編號：1005-6629（2021）04-0066-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題提出的背景

碳酸鈉與二氧化碳的反應是上海市現行高三拓展教材第5章“非金屬元素”中“一些非金屬化合物”的課堂實驗，學習水平是B級。教材還安排了碳酸氫鈉與碳酸鈉的熱穩定性比較實驗，之后又學習聯合制堿法。通過碳酸氫鈉與碳酸鈉的相互轉化分析，引導學生歸納正鹽與酸式鹽之間轉化的一般規律，學會從個別到一般的演繹推理方法。同時為學習純堿工業制法儲備必要的知識。

在實際課堂教學中不少教師反映，將二氧化碳通人飽和碳酸鈉溶液中，雖經較長時間，但該實驗仍很難做成功，為此許多老師作了不少探索。

劉懷樂等撰文指出，為了克服把CO₂通入飽和Na₂CO₃溶液因為生成難以回避的Na₂CO₃·10H₂O晶體會錯以為是NaHCO₃，建議用飽和食鹽水稀釋飽和碳酸鈉溶液，在飽和Na₂CO₃稀溶液中加入少量酒精。

夏立先撰文認為該實驗成功的關鍵：一是通入的CO₂氣流要大且連續;二是通入CO₂氣體的導管要插到試管底部，以增加CO₂氣體與飽和碳酸鈉溶液的接觸時間。

周存軍通過探究雪碧與碳酸鈉的反應實驗發現：取一瓶600mL的雪碧，倒出約三分之二，再向瓶中迅速加入5～6g碳酸鈉粉末，蓋好瓶塞、搖勻，約2分鐘后，雪碧瓶癟，有白色晶體析出;溶液pH由3.29上升為9.0，由此推斷析出晶體為碳酸氫鈉。

伍強撰文討論了通過控制反應條件及反應物用量，對向飽和碳酸鈉溶液中通入二氧化碳氣體和向盛有二氧化碳氣體的容器中注入飽和碳酸鈉溶液分別作了實驗探究。結果發現，在盛有二氧化碳氣體的礦泉水瓶中注入適量的飽和碳酸鈉溶液，易析出碳酸氫鈉晶體。

在上述有關文獻的基礎上本文重新設計該實驗并作再次改進。在兩支集滿二氧化碳的大試管中，同時分別用注射器注入10mL飽和碳酸鈉溶液和蒸餾水，用氣體壓強傳感器監測反應過程中的氣壓變化，實驗中采用室溫水浴以免外界溫度對試管內氣壓的影響。然后就實驗產物進行過濾、晾干得到的固體，再利用二氧化碳傳感器和pH傳感器對反應產物進行定性和定量分析。實驗證實，飽和碳酸鈉溶液與二氧化碳反應后析出晶體中的主要成分是碳酸氫鈉。

2實驗儀器及試劑

實驗儀器：Vernier數據采集器、計算機（安裝LoggerPro軟件）、Vernier氣體壓強傳感器（包括20mL注射器和魯爾閥）、Vernier不銹鋼溫度傳感器、Vernier二氧化碳傳感器、Vernier滴數傳感器、Vernier磁力攪拌器、電子天平（0.0001g）、大試管（30mm×200mm）、大燒杯（1000mL）等

實驗試劑：飽和Na₂CO₃溶液、無水Na₂CO₃晶體、1：4稀硫酸、蒸餾水、自來水等

改進實驗裝置如圖1所示。

3實驗操作步驟

（1）用無水Na₂CO₃晶體與1：4的稀硫酸反應制取CO₂，并收集于兩支大試管中，塞上橡皮塞，備用。

（2）取兩支注射器，分別吸取10mL飽和碳酸鈉溶液和10mL蒸餾水。

（3）如圖1裝配裝置。

（4）開啟LoggerPro軟件，點擊采集按鈕開始采集數據;將兩支注射器中的飽和碳酸鈉溶液和蒸餾水快速注入兩支大試管中，關閉魯爾閥，振蕩后放人盛有自來水的大燒杯中。

（5）待注入飽和碳酸鈉溶液的大試管中出現較多白色晶體后，點擊停止按鈕終止數據采集，保存數據。

4數據記錄和分析

4.1實驗現象及數據記錄

飽和Na₂CO₃溶液與CO₂反應：CO₂起始氣壓為100.12kPa，注入10mL飽和碳酸鈉溶液時，氣壓升至109.13kPa，而后下降為101.1kPa。200 s時，試管內壁出現少量白色晶體，氣壓為98.25 kPa;439s時，試管中生成較多白色晶體，氣壓降為87.91 kPa（圖2上）。

蒸餾水與CO₂反應：CO₂起始氣壓為100.59 kPa，注入10mL蒸餾水后，氣壓升至108.08 kPa，而后下降為104.7 kPa;200 s時，氣壓為104.7 kPa;439 s時，氣壓為103.43 kPa（圖2上）。大燒杯中水溫基本不變（圖2下）。

4.2數據處理和理論分析

（1）上述圖2上方曲線是飽和Na₂CO₃溶液吸收CO₂過程中試管內氣體壓強的變化和蒸餾水吸收CO₂過程中試管內氣體壓強的變化，下方是燒杯中水浴溫度。注入兩種液體時，試管中氣壓瞬間增大，隨反應的開始，又減小，因此，反應開始時兩曲線有相似的波峰。