碳酸鈉溶液與鹽酸反應原理探究的裝置改進

張磊 王璇 董金水

摘要： 對文獻中“碳酸鈉溶液與鹽酸反應原理探究”實驗裝置改進的四個主要部分： 滴加裝置、反應裝置、產(chǎn)物檢驗裝置和定量分析裝置進行梳理，發(fā)現(xiàn)單一的、

缺乏整體思考的

改進往往是有缺陷的。本實驗再次進行改進，借鑒前人實驗創(chuàng)新的優(yōu)勢部分，從整體出發(fā)作多元化思考，并添加一定的新元素，設(shè)計出更安全、更合理、更便捷的新實驗方案。

關(guān)鍵詞： 碳酸鈉溶液; 鹽酸; 實驗裝置改進; 實驗探究

文章編號： 10056629（2022）01006405

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題提出

問題與不足永遠是實驗改進與創(chuàng)新設(shè)計的原點。充分地理解實驗的目標與內(nèi)涵，圍繞要解決的問題而進行實驗設(shè)計，才能做出真正有意義的改進和創(chuàng)新。在以往的某些案例中，使用特殊的條件、儀器或試劑來進行創(chuàng)新，雖起到一定的作用，但往往只是突破一點，解決部分問題，并沒有統(tǒng)籌規(guī)劃整體考慮，導致某些實驗被不斷改進。本文以“碳酸鈉溶液與鹽酸反應原理探究”為例，簡析實驗創(chuàng)新與改進過程中某些關(guān)鍵儀器的優(yōu)勢與不足，并給出基于新元素的整體思考的實驗改進方案。

2 文獻研究

以中國知網(wǎng)為數(shù)據(jù)來源，檢索了《化學教學》《化學教與學》《化學教育》《中學化學教學參考》《中學化學》五種中學化學教學期刊，以及《實驗教學與儀器》《中小學實驗與裝備》《教育與裝備研究》三種實驗裝備類期刊。以“碳酸鈉”和“鹽酸”為主題檢索實驗改進相關(guān)文獻共100多篇（1986～2020年）[1]。

分析每一篇文章后發(fā)現(xiàn)，大多都存在一個共同的問題，即缺乏整體思考，往往僅從單一方面進行實驗設(shè)計，才會導致后人一改再改。筆者嘗試分析這些特定時期內(nèi)的實驗改進方案并對其進行了歸納與整理。

3 教材和文獻中的主要改進部分

3.1 改進一： 滴加鹽酸的裝置——讓反應過程“慢”下來

蘇教版教材實驗中利用膠頭滴管向集氣瓶中白色固體粉末加入濃鹽酸，立即產(chǎn)生大量氣泡，說明鹽酸能與Na2CO3反應;人教版教材中設(shè)計了如圖1（a）所示的實驗，將氣球中等物質(zhì)的量的Na2CO3和NaHCO3同時倒入試管，觀察氣球體積的變化快慢，可以得出兩者與鹽酸反應時速率有差別，但還不能說明鹽酸與Na2CO3的反應是分步進行的。為了讓學生全面認識Na2CO3、 NaHCO3與鹽酸的反應差異，探究其背后的原因，很多教師對鹽酸的加入方式做了改進。2003年李安峰[2]開始使用注射器滴加鹽酸，但只能控制反應發(fā)生，不能使兩者均勻反應;2013年蔡行雯[3]將移液管和內(nèi)塞玻璃球的橡膠管組成滴加裝置，其控制原理類似于堿式滴定管[圖1（b）]，但操作很不便;2015年吳曉紅[4]直接使用酸式滴定管滴加鹽酸，操作方便，但在敞口體系中氣體的檢測存在困難;此后影響較大的是2016年伍強[5]在傳統(tǒng)氣球?qū)嶒灥幕A(chǔ)上，使用恒壓滴液漏斗[圖1（c）]，從此在密封體系中恒壓滴液漏斗便成為原理探究的必要裝置，并初步證實Na2CO3與鹽酸反應是分步進行的。

3.2 改進二： 現(xiàn)象分析與產(chǎn)物檢驗——讓反應現(xiàn)象更明顯

Na2CO3與鹽酸反應是分步進行的，第一步CO2-3與H+結(jié)合生成HCO-3，沒有氣體;第二步HCO-3與H+反應產(chǎn)生CO2氣體。整理已有鹽酸滴定Na2CO3實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于反應現(xiàn)象的改進主要有以下兩方面。

一是傳統(tǒng)實驗現(xiàn)象的改進。2013年廖開勝[6]利用連通器原理完成Na2CO3、 NaHCO3與鹽酸的對照實驗[圖2（a）]，將氣體的生成轉(zhuǎn)化成水位的變化，現(xiàn)象更明顯，但實驗裝置過于復雜，操作不當則易漏氣;伍強[7]繼承原先的氣球?qū)嶒灢⒉捎煤銐旱我郝┒分鸬渭尤胂←}酸與Na2CO3反應[圖2（b）]，先無氣體后產(chǎn)生氣體使氣球膨脹，定性判斷該反應的分步進行。

二是數(shù)字化實驗。隨著手持技術(shù)的發(fā)展，2012年曾珍[8]利用壓力傳感器來檢測體系壓強，通過體系壓強變化證明反應的分步進行;2014年孫衛(wèi)中[9]采用pH傳感器來檢測反應過程中溶液的酸堿性變化，利用滴定曲線解釋其分步反應原理;2016年霍愛新[10]通過CO2傳感器來檢測反應過程中CO2濃度變化，驗證反? 應的分步進行。上述數(shù)字化改進仍存在一定的弊端，要么僅僅利用壓強或CO2濃度變化曲線將反應分步過程以數(shù)字化呈現(xiàn)，雖直觀但不夠深入;要么只是單獨利用滴定曲線解釋分步原理，對于必修學生來說不夠直觀，適用范圍太窄。

3.3 改進三： 合適的反應裝置——讓反應更可控

合適的反應裝置需要綜合考慮滴加與產(chǎn)物檢驗的要求。傳統(tǒng)實驗通過氣球與液壓的方式觀察氣體的生成，要求密封性好，常用多孔橡膠塞配合廣口瓶[11]或U型管使用[12]。利用多口燒瓶進行反應[13][圖3（a）]，可以將加液和檢驗融為一體，操作起來比較方便。數(shù)字化實驗中，CO2濃度和pH檢測一般在敞口體系中，燒杯是最常見的選擇。而壓力傳感器需要密閉環(huán)境，為了保證壓力數(shù)據(jù)的準確性與靈敏性，必須使用剛性材料防止容器形變，這時可將注射器與具支試管用橡膠塞連接，具支試管的支管處與壓力傳感器相連，形成一個較小的密閉空間，適合壓力測試[14][圖3（b）]。由于CO2濃度和pH檢測一般在敞口容器中進行，而壓力傳感器需要密閉環(huán)境，所以很難設(shè)計一套實驗裝備將它們統(tǒng)一起來，從多個視角進行相互驗證。

3.4 改進四： 定量分析的保障——揭示反應的本質(zhì)規(guī)律

定性探究說明反應是分步進行的，但不能確定兩步反應中反應物間的量比關(guān)系。化學研究的對象是物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化，而化學物質(zhì)無論是否轉(zhuǎn)化都是以確定的形式進行的，只有把研究物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化從定性上升到定量的高度，才能揭示出物質(zhì)存在的本質(zhì)和轉(zhuǎn)化規(guī)律[15]。于是對實驗作進一步改進——定量改進： 用帶刻度的恒壓滴液漏斗代替分液漏斗，改用排水法收集氣體;或通過數(shù)字化實驗配套使用的滴數(shù)傳感器來定量分析，實時生成各自的曲線（pHV、 CO2濃度V、 PV）使實驗過程物質(zhì)的量的變化清晰明了;若沒有滴數(shù)傳感器，則控制滴速恒定，利用時間和滴速計算液體用量，也可以很好地分析出分步原理及用量關(guān)系。

總而言之，碳酸鈉溶液與鹽酸反應原理的探究實驗成功的關(guān)鍵在于裝置選擇、定量分析、產(chǎn)物檢驗等幾個部分，故單一部分的改進往往存在缺陷，不能完美解釋其反應原理。筆者選擇以上關(guān)鍵部分再作改進，從整體出發(fā)重新思考，添加新的元素，設(shè)計出更安全、更合理、更便捷的新實驗方案。

4 基于新元素的整體改進思考的實踐研究

4.1 新元素一： 雙支口藍蓋螺口瓶

作為反應容器的雙支口藍蓋螺口瓶（設(shè)計后定制）是一種圓底、螺口帶蓋、兩個支口的小型玻璃儀器，容積約150mL。兩個支管功能不同，其中一個向瓶內(nèi)延伸1cm，目的在于模擬微型滴定過程，將反應容器與滴加裝置融為一體，另一個支口則用于導氣。螺口高度約3cm，藍蓋可以直接旋緊，也可以用于固定內(nèi)置橡膠塞，具備較好的密封性和抗壓性（圖4）。

4.2 新元素二： 雙支口直身廣口瓶

雙支口直身廣口瓶（設(shè)計后定制）的設(shè)計主要解決三個問題： 一是提高反應過程中CO2檢測的靈敏度，CO2密度比空氣大，由反應器擴散至檢測器位置需要一定的時間，采用下進的方式可以及時檢測CO2;二是為后續(xù)重復操作提供便利，在不拔出橡膠塞的情況下，可以通過另一支口及時排出裝置內(nèi)的CO2;三是支口連接壓力傳感器將壓力測試和CO2濃度檢驗巧妙組合（圖5）。

4.3 新元素三： 三通閥的妙用

如圖6所示，醫(yī)用三通閥是一種常見的醫(yī)療配件，主要用來改變裝置內(nèi)液體或氣體的流向，并且在轉(zhuǎn)換過程中無需中斷。由于內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)所以不積存空氣，為真實壓力的監(jiān)測提供保障，其特殊優(yōu)勢在中學化學實驗改進中備受青睞。

通過三通閥連接形成恒壓滴液方式[圖7（a）]，保證滴液順暢，并且兩個閥門與針筒相連，一個固定角度控制流速，另一個控制開或關(guān)，形成自制的滴速控制裝置，為后續(xù)定量分析做好準備[16][圖7（b）]。整套裝置通過三通閥連接，將多個實驗作整體化設(shè)計，巧妙組合成實驗裝置，在密閉體系內(nèi)便可完成Na2CO3和鹽酸的反應以及一系列性質(zhì)驗證實驗，包括壓力檢測、pH檢 驗和CO2濃度測定，在有限的教學時間內(nèi)提高了課堂教學效率，并且隨開隨用，隨關(guān)隨停，可整體劃一也可分而測之，提高了檢測的靈活性。

4.4 新元素四：“四重表征”法的應用

“四重表征”教學模式指的是對物理或化學變化從宏觀、微觀、符號、曲線四重角度進行表征以及表征間相互轉(zhuǎn)化的教學模式。運用該模式，在實驗探究過程中融入“四重表征”的教學策略： 宏觀表征是通過對比實驗創(chuàng)設(shè)的問題情境，觀察到反應過程中氣體產(chǎn)生的過程與快慢，引發(fā)學生思考;然后微觀上預測CO2-3和H+的反應原理，并結(jié)合宏觀現(xiàn)象和數(shù)字化手段從定性和定量的角度進行微觀探析;通過數(shù)據(jù)、表格、圖像等的變化探究化學反應的變化過程，將宏觀表征和微觀探析相統(tǒng)一，從而促使學生理解并通過化學語言即化學方程式等表述某一個反應。“四重表征”環(huán)環(huán)相扣，組成一個有機整體（見圖8），有助于認識和理解化學物質(zhì)及其變化、完善學生知識體系、體驗科學探究方法、培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)。

其他儀器和試劑還有磁力攪拌器（帶鐵架臺）、橡膠塞（3個）、小刀、橡皮筋、硅膠管若干、蒸餾水等。

4.5 實驗步驟

（1） 根據(jù)裝置要求，選擇配制250mL 0.4mol/L的Na2CO3溶液和250mL 0.4mol/L的稀鹽酸[17];

（2） 如圖9所示組裝儀器，并檢查裝置氣密性;

（3） 向反應儀器中加入磁子和20mL 0.4mol/L的Na2CO3溶液，針筒中加入50mL 0.4mol/L的稀鹽酸;

（4） 打開攪拌器和針筒閥門，向Na2CO3溶液中滴加鹽酸同時開始采集數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)變化;

（5） 當各數(shù)據(jù)不再變化時，停止滴加鹽酸和數(shù)據(jù)采集并作分析。具體數(shù)據(jù)及分析詳見筆者2021年在《化學教學》第6期發(fā)表的“基于傳感器檢測探究鹽酸與碳酸鈉溶液的反應”一文。實驗結(jié)束后，整理實驗藥品與儀器。

5 有關(guān)實驗的幾點思考

5.1 實驗創(chuàng)新要多視角

本實驗是高中化學教學中常見的原理探究型實驗，利用中學常見的化學實驗儀器很難對這一原理進行較全面的探究，所以需從不同的視角進行研究，逐步揭示反應的特征和規(guī)律。對于操作而言，既要簡便，又要體現(xiàn)反應的分步過程;對于裝置而言，既要保證滴加裝置、反應裝置、檢驗裝置間相互獨立，又要將其整體統(tǒng)一于同一密封體系;對于結(jié)果而言，既要對現(xiàn)象進行定性分析，又要對圖表數(shù)據(jù)作定量研究;對于實驗而言，既是化學反應與現(xiàn)象分析的組合實驗，又是pH、壓力、CO2三者檢測的互證實驗。從不同的視角感受實驗的嚴謹性與辯證性，啟迪學生思維，激發(fā)學生興趣，幫助學生建立網(wǎng)絡(luò)知識體系，培養(yǎng)學生實驗設(shè)計與實驗操作能力，提高學生的綜合素質(zhì)。

5.2 實驗創(chuàng)新要整體化

實驗創(chuàng)新需注重實驗設(shè)計的簡約性、科學性和整體性，做到“整而不亂”。它不是各部分裝置的簡單串聯(lián)，而是在改進原有實驗裝置的基礎(chǔ)上，整合滴加裝置、反應裝置、產(chǎn)物檢驗裝置和定量分析裝置等，利用實驗現(xiàn)象和圖表數(shù)據(jù)等加深學生對化學反應原理的認識與理解。在整體思考的基礎(chǔ)上，必需精心分析各個零散部分的優(yōu)劣，去其糟粕，取其精華，在化零為整中形成解決各種問題的結(jié)構(gòu)化邏輯與思路，促進學生科學思維與科學素養(yǎng)的發(fā)展，充分體現(xiàn)實驗的育人價值。

參考文獻：

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