氫氧化鈉固體和二氧化碳氣體反應(yīng)新發(fā)現(xiàn)

◆湖北省赤壁市第一高級中學(xué) 馮卓玲

一、提出問題

很多固態(tài)物質(zhì)和氣態(tài)物質(zhì)可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但反應(yīng)時的現(xiàn)象并不明顯。例如，氫氧化鈉固體與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)時就沒有明顯可觀、可感的實驗現(xiàn)象，教材中也沒有用實驗的方式推導(dǎo)出反應(yīng)方程式，而是直接給出二者反應(yīng)的化學(xué)方程式。

如何直觀地反應(yīng)實驗過程，讓同學(xué)們更易掌握其中的知識點？在老師的指導(dǎo)下，我在傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上引入數(shù)字化技術(shù)，對實驗進行了探究和創(chuàng)新設(shè)計。

二、實驗設(shè)計

（一）實驗1：探究水、氫氧化鈉溶液與二氧化碳的反應(yīng)

1.實驗器材

錐形瓶、注射器、橡皮塞、氣壓傳感器、磁力攪拌器、電腦。二氧化碳氣體、20 mL清水、20 mL15%的氫氧化鈉溶液。

2.實驗過程

連接好儀器后，電腦開始采集數(shù)據(jù)，同時用注射器將氫氧化鈉溶液和水分別注入兩個裝有等量二氧化碳氣體的錐形瓶，打開磁力攪拌器，讓瓶內(nèi)的物質(zhì)充分混合。在屏幕上觀察兩個錐形瓶內(nèi)氣壓的變化情況。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止采集數(shù)據(jù)。

3.實驗現(xiàn)象

從上述實驗得到的兩幅曲線圖中可以清晰地看到，水與二氧化碳混合前后，瓶內(nèi)氣壓基本不變。氫氧化鈉溶液與二氧化碳混合前后，瓶內(nèi)氣壓明顯下降，說明氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生了反應(yīng)。

圖1 水、氫氧化鈉溶液分別與二氧化碳反應(yīng)后錐形瓶內(nèi)的氣壓變化曲線圖

（二）實驗2：探究氫氧化鈉固體與二氧化碳的反應(yīng)

1.實驗器材

廣口瓶、玻璃棒、橡皮塞、塑料瓶蓋、氣球、氣壓傳感器、電腦。氫氧化鈉固體、二氧化碳氣體。

2.實驗過程

連接好儀器后，電腦開始采集數(shù)據(jù)。向下慢慢轉(zhuǎn)動玻璃棒，將塑料瓶蓋頂落，使氫氧化鈉固體灑落在廣口瓶內(nèi)，充分振蕩廣口瓶，在屏幕上觀察瓶內(nèi)氣壓的變化情況。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止采集數(shù)據(jù)。

3.實驗現(xiàn)象

從以上實驗所得曲線圖中可以清晰地看到，氫氧化鈉固體與二氧化碳混合后，瓶內(nèi)氣壓明顯下降，充分說明氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生了反應(yīng)。

圖2 氫氧化鈉固體與二氧化碳反應(yīng)后錐形瓶內(nèi)的氣壓變化曲線圖

三、實驗分析與結(jié)論

1.從實驗1所得的曲線圖中可以看到，水與二氧化碳混合后，剛開始瓶內(nèi)氣壓會瞬間增大。與教輔資料中的描述“水與二氧化碳混合后氣壓一定降低”不一致。剛開始瓶內(nèi)氣壓會瞬間增大，究其原因，二氧化碳與水混合后既會溶解在水中又會與水發(fā)生反應(yīng)，兩個過程中都會放熱，使瓶內(nèi)氣體受熱膨脹，從而出現(xiàn)上述現(xiàn)象。隨著反應(yīng)和溶解的進行，氣體不斷減少，氣壓隨之降低，但溶解速度較慢，導(dǎo)致出現(xiàn)的曲線比較平緩。

2.從實驗2過程中的曲線圖可以清楚地看到，氫氧化鈉固體與二氧化碳反應(yīng)時，各階段的反應(yīng)速度不一樣，反應(yīng)結(jié)束后容器內(nèi)的氣壓也沒有降為零。

該現(xiàn)象與教輔資料中對該反應(yīng)的實驗過程描述“氫氧化鈉與二氧化碳混合后勻速反應(yīng)，氫氧化鈉過量，最后容器中的二氧化碳被完全吸收，氣壓為零”不一致。

本實驗出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因有兩點，一是二氧化碳過量，二是雖然二氧化碳完全反應(yīng)，但二氧化碳中可能混入了空氣。

四、實驗啟示

探究氫氧化鈉固體和二氧化碳反應(yīng)的發(fā)生，除了可利用壓強差來設(shè)計實驗，還能從反應(yīng)物的含量變化、反應(yīng)后溶液pH值、溫度的變化等角度進行探究。

同樣，酸堿中和反應(yīng)等實驗都可以通過數(shù)字化手持技術(shù)測定數(shù)據(jù)，讓實驗過程可視化、精確化。

專家點評

專家點評

作者學(xué)習(xí)時發(fā)現(xiàn)課本的實驗描述不明確，在老師指導(dǎo)下，利用現(xiàn)代實驗技術(shù)改進實驗，發(fā)現(xiàn)了兩個新的現(xiàn)象：實驗起始階段時，瓶內(nèi)的氣壓會短暫升高；實驗結(jié)束時，瓶內(nèi)的氣體不一定為零。最后通過分析，解釋了產(chǎn)生這兩個實驗現(xiàn)象的原因。

實驗設(shè)計合理，用圖描述實驗現(xiàn)象，形象直觀。作者能抓住實驗現(xiàn)象的細微之處，說明其具有敏銳的觀察力。建議作者在分析實驗原因時，抓住關(guān)鍵問題，語言盡量簡潔，讓人一目了然。