基于“科學探究與創新意識”的化學實驗設計*
——以質量差法測定咖啡中碳酸氫鈉含量為例

馬懷蕊，王建坤，楊艷華**，楊春香，李曼彎

(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 香格里拉 674499；3.蒙自市第一高級中學，云南 蒙自 661100)

科學探究是一種有效的學習策略，有利于激發學生對科學的濃厚興趣和對科學學習的積極動機，培養科學態度和創新精神[1]。因此，在師范生教育過程中，要注重培養學生發現和提出有探究價值的化學問題，能依據探究目的設計優化實驗方案，完成實驗操作，能對觀察記錄的實驗信息進行加工并獲得結論[2]。在保證學習任務和學習活動基本價值的基礎上開展探究式教學，是當前教學育人價值的具體表現形式之一。

碳酸氫鈉(NaHCO3)俗稱小蘇打，廣泛應用于治療胃酸過多的藥物、烘焙使用的發酵劑和滅火器中，其與酸性物質或加熱時會產生CO2。許多教學人員基于這樣的性質，進行了富有成效且有教育意義的探究式教學實驗[3]。例如，將啤酒、雪碧和可樂與NaOH溶液反應生成Na2CO3，再與鹽酸溶液反應生成NaHCO3，最后用鹽酸溶液滴定生成的NaHCO3產生CO2，進而測定出啤酒、雪碧和可樂中的CO2含量[4-6]。然而，滴定過程中需要使用酸堿指示劑顯示滴定終點，學生對指示劑顏色變化的敏感度和辨識度較差，影響滴定結果，導致測定結果誤差偏大。并且，探究實驗時間較長，不利于開展實際教學。雖然可以通過抽氣法除CO2[7]，縮短時長，但是抽氣過程中會抽走一部分水蒸氣，影響實驗結果。

此外，對于像即溶咖啡飲品這樣顏色較深的液體，就不能采用滴定法和抽氣法測定其NaHCO3含量。雖然包裝上的營養成分標明了每 100 mL 含鈉 55 mg，但元素含量并不能代表化合物含量[3]，因此，需要探索一種新的實驗方法和簡便的實驗設計，測定即溶咖啡飲品中的NaHCO3含量。

1 實驗原理

NaHCO3受熱易分解，反應方程式如下：

產生的CO2通入NaOH溶液中，反應方程式如下：

先稱量NaOH溶液的質量，記為m1，實驗結束后再次稱量質量，記為m2，兩者的質量差即為產生的CO2，而CO2中的碳元素全部來源于NaHCO3，因此，可計算出NaHCO3的質量，計算公式如下：

2 實驗部分

2.1 儀器與藥品

燒杯、量筒、三口反應瓶、滴瓶、玻璃棒、磁力攪拌子、冷凝管、鼓泡器、橡膠管。電子分析天平、恒溫油浴鍋。

濃H2SO4為分析純，購于南京化學試劑股份有限公司。NaOH為分析純，購于上海麥克林生化科技有限公司。雀巢醇香原味低糖咖啡購于昆明學院后勤超市，蒸餾水為實驗室制取。

2.2 NaOH溶液配制

稱取 3.0 g NaOH于 50 mL 燒杯中，加入 15 mL 蒸餾水溶解，冷卻至室溫時，轉移至滴瓶中，并將滴瓶滴管的紅色橡皮膠頭移除，稱量質量，記為m1。

2.3 實驗組NaHCO3含量測定

如圖1所示，安裝實驗裝置，并檢查氣密性。在 250 mL 三口反應瓶中分別加入一包市售雀巢醇香原味低糖咖啡(15 g)和 100 mL 蒸餾水，放入磁力攪拌子攪拌，并在 130 ℃ 的恒溫油浴鍋上加熱，當不再有氣泡產生時，停止攪拌。再次稱量滴瓶和滴管的總質量，記為m2。平行測定3次，實驗數據如表1所示。

代入公式，求三次實驗的平均值，計算出mNaHCO3=17.68 mg，即為 17.68 mg/15 g。

本實驗耗時約 3 h，對中學生來說實驗時間較長，建議分小組合作進行。實驗成功的關鍵在于實驗裝置的氣密性和天平的靈敏性，在操作前需做重點強調。

圖1 市售咖啡中NaHCO3含量測定實驗裝置圖

表1 市售咖啡中NaHCO3含量測定實驗數據

2.4 探究活動

NaHCO3是細小的白色晶體，且還有美白、清潔和殺菌的作用，因此，經加工后的小蘇打牙膏不僅具有抗菌、緩解牙齦出血的作用，而且還能有效去除牙齒表面沉積物[8]，預防牙釉質和牙結石的產生。如圖2為一款市售小蘇打牙膏[9]，根據其功效和成分，回答下列問題：

圖2 一款市售科達琳小蘇打牙膏

1)此款小蘇打牙膏具有減輕口腔異味的作用，這是由于NaHCO3的性質導致的。

2)像牙膏這樣的凝膠狀物質，能否根據以上實驗方法測定其NaHCO3含量。若能，請設計實驗步驟，測定該款市售牙膏中含有的NaHCO3質量。(可根據學校實際情況，選擇其他市售小蘇打牙膏，或分小組測定不同品牌小蘇打牙膏中的NaHCO3含量。)

3 結論

本實驗既有利于培養中學生實驗操作能力和合作精神，也有利于培養實驗探究意識，在實驗過程中感受化學實驗魅力。實驗測定結果不一定非常準確，但是，通過分析前人的研究方法，引導學生發現問題和分析問題，最終找到適合的路徑測定顏色較深物質中NaHCO3的含量，并且通過設計探究活動，進一步鞏固學生基本知識和實驗操作技能，學以致用，可更好起到激發學生探知欲望、培養實驗創新意識的作用。