碳酸氫鈉和碳酸鈉熱穩定性對比實驗裝置的改進

譚會敏 旦增 李偉 倪海鳳 孟德安

摘要：實驗是中學化學教學中的重要內容，為使碳酸氫鈉與碳酸鈉熱穩定性對比實驗更好地適應課堂教學，讓學生更直觀地理解碳酸氫鈉熱分解的產物，更高效地完成碳酸鈉和碳酸氫鈉熱穩定性對比，本文設計了碳酸氫鈉和碳酸鈉熱穩定性對比實驗的兩組改進裝置。通過實驗驗證，發現直形管類裝置實驗現象明顯、對比效果顯著、產物明確、用時短、可操作性強;用U型管類裝置在實驗時，只要U型管大小規格合適亦能在實驗現象、熱穩定性對比等方面取得良好的效果。

關鍵詞：碳酸氫鈉;碳酸鈉;熱穩定性比較;實驗改進

文章編號：1008-0546（2022）03x-0070-04??? 中圖分類號：G632.41??? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.017

一、研究背景

1.課標要求

碳酸氫鈉的熱穩定性實驗是高中化學實驗之一，在普通高中化學課程標準課程內容中要求了解鈉及其重要化合物的性質;學習活動建議中要求進行碳酸鈉及碳酸氫鈉性質的比較的實驗;學業質量要求能用化學方程式、離子方程式表示典型物質的主要化學性質[1]。

2.教材實驗

在人民教育出版社（2019版）高中化學教材中，碳酸氫鈉的熱穩定性實驗位于必修1第一冊第二章第一節。教材實驗如下所示：

實驗要求[2]：分別加熱碳酸鈉和碳酸氫鈉，觀察現象，比較碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性。

實驗裝置如圖1所示：

該實驗裝置有以下幾點不足：

（1）在進行對比實驗時，需要進行兩次實驗，兩次實驗將會耗費大量的時間，且不能同時對比碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性。

（2）只能觀察到碳酸氫鈉發生了分解，有二氧化碳產生，但是不能觀察到產物水及碳酸鈉，也不能證明碳酸鈉在一定的溫度下未發生熱分解。

3.已有的實驗改進裝置

伍強[3]為了使碳酸鈉、碳酸氫鈉固體的熱穩定實驗具有更好的對比性、探究性、直觀性，設計了油浴加熱碳酸鈉和碳酸氫鈉的對比試驗，裝置如圖2所示。該裝置解決了不能同時加熱兩種物質的現狀，能在一個實驗中完成對比，并可以測定碳酸氫鈉分解的溫度。但是增加了實驗的危險性，耗時較長，實驗裝置也很復雜。且實驗只能檢測出是否有二氧化碳產生，不能檢驗其他產物。不利于課堂實驗演示或者進行學生操作實驗。

周漢芳[4]曾對實驗裝置進行了改進，裝置圖如圖3所示，實驗裝置很好地解決了耗時的問題，可以一次性加熱兩種物質，亦可進行現象對比，但實驗裝置需要定制，且實驗裝置沒有對產物（水、碳酸鈉）進行驗證。

徐建菊[5]等人在對碳酸氫鈉及碳酸鈉的對比實驗中，通過二氧化碳傳感器測試生成的二氧化碳的量得到結論：在用酒精燈加熱時，碳酸氫鈉不穩定易分解，由于碳酸鈉分解的溫度至少需要1300℃，所以碳酸鈉穩定不易分解。

黃金泉[6]等人用尼龍繩將兩只硬質試管綁在一起，分別加入碳酸鈉和碳酸氫鈉進行加熱分解，實驗裝置如圖4所示，實驗裝置適用性強，也能很好地完成對比實驗，但是不能保證兩種物質均良好受熱。

高中階段的學生具有高度的好奇心，可視化地驗證產物并對比兩者熱穩定性的差別，不但能提高學生探究問題的興趣和科學態度的嚴謹性，而且能明確碳酸氫鈉熱分解的產物，使學生正確的用化學方程式表示。為了使學生明顯觀察到碳酸氫鈉分解的產物，高效安全地完成碳酸鈉和碳酸氫鈉熱穩定性對比實驗，使裝置安全性更強，本文對碳酸氫鈉熱穩定性實驗設計了兩組改進裝置。

二、實驗裝置

1.實驗儀器及實驗用品

實驗儀器：中間隔開的U型管（8mm*80mm和13mm*130mm）、中間隔開的玻璃管（13mm*8cm）、直形玻璃管（13mm*20cm）、橡膠塞、橡膠管、玻璃管、燒杯、酒精燈。

實驗藥品：碳酸氫鈉、無水碳酸鈉、無水硫酸銅、澄清石灰水、氯化鈣溶液。

對碳酸鈉的處理：在實驗過程中，我們發現碳酸鈉加熱時會產生水，從元素守恒的角度來看碳酸鈉中不含有氫元素，加熱不會產生水，那水又是從哪里來的呢？碳酸鈉易與空氣中的水蒸氣結合形成Na₂CO₃·xH₂O，碳酸鈉的結晶水和物熱分解產生水和碳酸鈉。若溫度達到1227℃或者1203℃時會變成氧化鈉和二氧化碳，這是酒精燈加熱不能達到的溫度[7]。故水為Na₂CO₃·xH₂O熱分解產物。對基礎一般的學生，為使實驗現象明顯，學生不產生認知混亂，在做實驗時應盡量使用無水碳酸鈉，若沒有無水碳酸鈉可以在實驗之前先將碳酸鈉在酒精燈上加熱除去碳酸鈉的結晶水。對于基礎較好，好奇心強的學生，可以在實驗之后讓學生分析探索水的來源。

2.實驗原理

（1）碳酸氫鈉加熱分解：

（2）將二氧化碳通入澄清石灰水中產生白色沉淀，實現對二氧化碳的檢驗：

CO₂+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+H₂O

（3）向碳酸鈉中加入氯化鈣溶液產生白色沉淀，此現象可用于檢驗碳酸鈉：

Na₂CO₃+CaCl₂=CaCO₃↓+2NaCl

（4）水能使無水硫酸銅變藍，此反應用于水的檢驗：

CuSO₄+5H₂O=CuSO₄·5H₂O

3.實驗裝置

（1）U型管類裝置

U型管類兩個實驗裝置圖如圖5所示，具體實驗操作及實驗現象如下：

①向U型管的兩側分別加入一定量的碳酸鈉和碳酸氫鈉粉末，連接固定好裝置。

②用酒精燈加熱U型管下側。

③移出導管，停止加熱。待U型管冷卻后，向U型管中加蒸餾水溶解碳酸納和碳酸氫鈉熱分解產物，形成飽和溶液。取出飽和溶液再加入氯化鈣溶液。

U型管類裝置實驗現象如表1所示：

U型管類裝置進行實驗時，只要調節好U型管的規格大小，便可以觀察到明顯的實驗現象。通過實驗現象可以清楚地檢驗產物并比較兩者的熱穩定性。裝置a若使用型號較小的隔開的U型管時，可以觀察到明顯的實驗現象，但換用規格較大的U型管進行實驗時，不能觀察到無水硫酸銅變藍，且U型管有冷凝水回流，易引起試管炸裂。裝置b將裹有無水硫酸銅的棉花放在U型管的上側，去掉裝有無水硫酸銅的玻璃管。不僅可以很好地解決冷凝水回流的問題而且還能觀察到裹有無水硫酸銅的棉花變藍的實驗現象。但若采用裝置b進行實驗時，U型管不宜過小，否則高溫會導致棉花燃燒。

（2）直形管類裝置

直形管類裝置如圖6所示，實驗步驟如下：

①向20cm長的玻璃管的中間位置塞入橡膠塞（如裝置6b所示）。

②向導管兩側的中間位置分別加入一定量的碳酸鈉和碳酸氫鈉粉末，連接固定好裝置。

③加熱直形管兩側的碳酸鈉和碳酸氫鈉（酒精燈位置如裝置圖6所示）。

④移出導管，停止加熱。分別取出兩側的產物，加入蒸餾水溶解，往飽和溶液中加入氯化鈣溶液。

實驗現象見表2。

結果表明，直形管類裝置實驗現象明顯，用時較短，學生可以通過實驗明了碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性。裝置6a實驗現象明顯，但裝置需要定制或者用酒精噴燈燒制，這增大了實驗的復雜程度。裝置6b選擇了橡膠塞代替中間的玻璃隔板，在實驗過程中橡膠塞不但有效起到了隔離的作用，也未燃燒。使得裝置不僅更加簡單而且裝置可操作性也很好。

兩組裝置均實驗現象明顯，能很好地對兩物質的熱穩定性進行對比，并明確碳酸氫鈉的產物，但是U型管類裝置為獲得明顯的實驗現象，必須對U型管的規格大小進行調節，且裝置需要定制。直形管類裝置6b則可以直接進行組裝，裝置更加簡單。

三、實驗改進的優點

（1）裝置實驗現象明顯，能高效的對比碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性。實驗對所有的產物都進行了驗證能使學生更加直觀地理解碳酸氫鈉的熱分解產物，促使學生更好的掌握碳酸氫鈉熱分解的化學反應方程式，增強學生對科學研究的嚴謹性。

（2）物質受熱更加均勻，一次實驗完成對兩物質的熱穩定性探究，耗時更短，提高了實驗完成的效率。

（3）巧用了橡膠塞、脫脂棉花使得實驗裝置不僅更加簡單，不需要定制，便于推廣，且可以提高學生學習化學的興趣。

（4）對碳酸鈉的處理可以減少實驗現象對基礎較弱學生的干擾性，也可以培養基礎較好的學生的科學探究能力。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心.普通高中教科書（化學必修第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2019（04）：36.

[3]伍強.碳酸鈉和碳酸氫鈉性質對比實研究[J].化學教學，2015（12）：48-50.

[4]周漢芳.碳酸鈉、碳酸氫鈉熱穩定性比較實驗的改進[J]. 化學教學，1988（02）：30.

[5]徐建菊，吳曉紅.借助傳感器探究碳酸鈉與碳酸氫鈉的熱穩定性[J].化學教學，2019（04）：63-66.

[6]黃金泉，楊曉東.再議碳酸鈉、碳酸氫鈉熱穩定性比較實驗的改進[J].化學教學，2021（01）：77-79.

[7]王文英.碳酸鈉與碳酸氫鈉分解溫度的熱力學估算[J].化學教育，2016，37（15）：71-72.