基于蘇打水中碳酸氫鈉定量測定的中學化學實驗研究*

王建坤，馬懷蕊，楊春香，楊艷華**，王寶玲，李艷妮，黃素芳，王穎臻

(1.昆明學院 化學化工學院，云南 昆明 650214；2.迪慶藏族自治州民族中學，云南 迪慶 674400)

“中學化學教材分析與教學設計”是面向化學專業教師教育方向學生開設的一門教師教育發展方向課，是一門研究中學化學教材知識內容、結構體系、知識間相互聯系，以及教材與教學關系的一門理論與實踐緊密聯系的課程。其對培養師范生具備較強的化學教學能力、化學實驗教學能力、化學教學研究和綜合實踐能力有明顯提升作用。其中，實驗探究是一種科學實踐活動，是培養學生化學學科核心素養中“科學探究與創新意識”的構成要素[1]。

在課程教學中發現，CO2性質和制備實驗貫穿于整個義務教育和高中一年級階段，在實驗探究教學中，教學人員都是基于CO2在生活中的實際應用進行實驗設計的。例如：探究啤酒、可樂和雪碧等飲品中CO2的含量測定[2-5]。實驗過程主要為：第一步，用草酸溶液或鄰苯二甲酸氫鉀溶液對配制的NaOH溶液進行標定；第二步，使用標定的NaOH溶液標定HCl溶液；第三步，取出一定量的啤酒、可樂或雪碧，與過量的NaOH溶液反應，全部生成Na2CO3；第四步，用標定的HCl溶液標定Na2CO3溶液，生成NaHCO3；第五步，繼續用HCl標定溶液標定NaHCO3溶液。除第三步不使用酸堿指示劑外，第一、二、四步均使用酚酞作指示劑，第五步使用甲基橙作指示劑，根據第四、五步指示劑顏色變化時使用的已標定HCl溶液的體積，計算出啤酒、可樂和雪碧中CO2的含量。

這樣的探究實驗，不僅是重視開展“素養為本”的教學體現，同時也利于培養學生合作意識，達到樹立研究性學習習慣的目的。但是，以上探究實驗存在耗時較長、標定溶液實驗操作重復、酸堿指示劑都需要使用，并且以小組形式完成實驗不能有效提升學生獨立操作能力，在中學教學中實際可行性不強等問題。因此，我們以高中必修第一冊中NaHCO3的性質為基礎，測定市售蘇打水中NaHCO3的含量，開展探究式教學。雖然已有教學人員利用蘇打水中的NaHCO3開展探究式教學的報道，但其工作僅定性驗證了NaHCO3的存在，沒有進行較為完整的定量實驗探究[6]。因此，我們以一款市售蘇打水為例，測定其NaHCO3的含量，將研究性學習和探究式教學相結合，更好地培養學生“科學探究與創新意識”的學科核心素養。

實驗基本原理及步驟為：首先，用Na2CO3溶液標定HCl溶液；然后，用標定的HCl溶液標定蘇打水。兩個標定實驗都使用甲基橙作指示劑，根據甲基橙顏色變化時使用的已標定的HCl溶液體積，計算蘇打水中NaHCO3的含量。這樣開展實驗教學，一方面培養學生創新精神和實踐能力，另一方面也使探究實驗內容更加貼近于中學化學實際教學。

1 實驗原理

HCl與NaHCO3發生復分解反應，以甲基橙做指示劑，用HCl標準溶液滴定蘇打水，從而測定蘇打水中碳酸氫鈉的含量。反應方程式如下：

測定的蘇打水中NaHCO3的含量計算：

式中：CNaHCO3為待標定蘇打水中NaHCO3的濃度；CHCl為HCl標準溶液的濃度；ΔVHCl為滴定后滴定管讀數-滴定前滴定管讀數，即滴定單位體積的蘇打水時，所消耗HCl標準溶液的體積；V測定的蘇打水為標定時，所取蘇打水的單位體積。

市售 400 mL 蘇打水中NaHCO3的質量計算：

mNaHCO3=cNaHCO3×MNaHCO3×0.4

式中：mNaHCO3為400 mL 該蘇打水中NaHCO3的質量；cNaHCO3為該蘇打水中NaHCO3的物質的量濃度；MNaHCO3為NaHCO3的相對分子質量；0.4為換算系數，因所測蘇打水體積為 0.4 L。

其中，HCl標準溶液的濃度由Na2CO3溶液標定得出，反應方程式為：

標定的HCl標準溶液的濃度為：

式中，CHCl為待標定的HCl標準溶液濃度；2為根據反應方程式，從Na2CO3到HCl的換算系數；CNa2CO3為標定HCl標準溶液時，所取用的Na2CO3溶液的濃度；VNa2CO3為標定HCl標準溶液時，所取用的單位Na2CO3溶液體積；V消耗的HCl為滴定單位體積的Na2CO3溶液時，所消耗的HCl標準溶液的體積。

2 素養目標

1)科學探究與創新意識：練習多種中學化學常見實驗儀器的使用，掌握酸堿滴定分析方法和相關實驗現象，學會運用身邊物質進行科學探索，體會化學研究過程中的科學方法，培養學生分析問題、解決問題的能力。

2)變化觀念與平衡思想：根據滴定過程中指示劑顏色變化判斷反應的情況，掌握反應的實質，培養學生數據處理能力。

3)科學精神與社會責任：通過對蘇打水中NaHCO3含量測定的實驗探究和學習，掌握高效的學習方法，建立高效學習的科學精神，培養學以致用的學科意識。

3 實驗部分

3.1 儀器與藥品

托盤天平(含砝碼)、移液管、酸式滴定管、堿式滴定管、燒杯、量筒、玻璃棒、膠頭滴管、容量瓶、錐形瓶、藥匙、酒精燈、石棉網、鐵架臺(含蝴蝶夾)。

Na2CO3和濃鹽酸等均為分析純，400 mL 昆明宏達蘇打水飲品，購于昆明學院后勤超市。蒸餾水為實驗室制取，甲基橙指示劑為實驗室配制。

3.2 溶液配制

3.2.1 0.1000 mol/L Na2CO3溶液

稱取 5.3 g Na2CO3于 50 mL 燒杯中，加入蒸餾水溶解，用 500 mL 容量瓶定容。

3.2.2 HCl溶液

量取 4.2 mL 濃鹽酸(質量分數為36%～38%)于 50 mL 燒杯中，加入蒸餾水稀釋，用 500 mL 容量瓶定容。

3.3 溶液的標定

3.3.1 HCl溶液的標定

用移液管移取 10.00 mL Na2CO3溶液于錐形瓶中，加入1～2滴甲基橙指示劑，用配制的HCl溶液進行滴定。當指示劑由黃色變為橙色時，酒精燈加熱錐形瓶 2 min，冷卻至室溫后，繼續滴定至指示劑為橙色，即為終點，平行測定3次，實驗數據如表1所示。

表1 標定HCl標準溶液的實驗數據

3.3.2 蘇打水中NaHCO3含量的測定

用堿式滴定管取 20.00 mL 瓶裝蘇打水于 250 mL 錐形瓶中，加入1～2滴甲基橙指示劑，用酸式滴定管中標定的HCl溶液進行滴定。當指示劑由黃色變為橙色時，酒精燈加熱錐形瓶 2 min，冷卻至室溫后，繼續滴定至指示劑為橙色，即為終點，平行測定3次，實驗數據如表2所示。

表2 蘇打水中NaHCO3濃度的實驗數據

通過公式計算出蘇打水中NaHCO3的濃度為1.90×10-3mol/L，400 mL 市售蘇打水中含有約 63.85 mg NaHCO3，即 15.96 mg/100 mL。

計算出cHCl=0.1186 mol/L，此實驗可由實驗準備人員先期完成。

計算出使用HCl溶液的體積 ΔVHCl=0.32 mL。

整個實驗流程如圖1所示。

圖1 蘇打水中NaHCO3濃度滴定流程圖

昆明宏達蘇打水飲品沒有標明NaHCO3的含量，相比較于已標明NaHCO3質量濃度的娃哈哈蘇打水 35 mg/100 mL、農夫山泉蘇打水天然水飲品白桃風味 20 mg/100 mL，實驗測定值偏小，而比農夫山泉蘇打水天然水飲品檸檬風味 10 mg/100 mL，實驗測定值偏大。主要原因分析如下：首先，NaHCO3濃度的標定沒有按照國家標準中的溴甲酚綠-甲基紅指示液(pH變色范圍為5.0～5.2)[7]，而是使用甲基橙作指示劑(pH變色范圍為3.1～4.4)，因為中學化學要求學生掌握的指示劑只有酚酞(堿滴定酸)、甲基橙(酸滴定堿)和石蕊3種，甲基橙比溴甲酚綠-甲基紅的酸性強，標定的鹽酸溶液濃度偏低。其次，實驗過程中使用的儀器都為中學化學常用儀器，比如托盤天平(含砝碼)精確度偏低、滴定管讀數不精確等，影響了物質的標定。最后，雖然昆明宏達蘇打水飲品營養成分標明了Na 5 mg/100 mL，但是鈉元素含量并不能代表NaHCO3含量。因此，實驗測試結果雖然有差距，但在培養學生實驗操作能力和創新精神方面，依然有重要的教學意義。

4 結論

本實驗耗時較短、取材源于生活，可激發學生學習興趣、做到學以致用，不僅便于將研究性學習與探究教學應用于中學化學教學，而且也為師范生和中學教學研究人員提供了教學素材。