應用手持技術探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質

霍愛新張　瑜　王皖娣

（天津師范大學教師教育學院　天津　300387）

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應用手持技術探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質

霍愛新*張瑜王皖娣

（天津師范大學教師教育學院天津300387）

摘要：碳酸鈉和碳酸氫鈉是鈉的兩種重要化合物，兩種化合物的性質比較是高中化學教學中的一個重點。但是應用常規實驗儀器進行實驗時，發現存在實驗現象不明顯，甚至可能失敗的教學問題。通過溫度傳感器、pH傳感器、二氧化碳傳感器在該實驗中的應用，使實驗現象更明顯，更有利于學生觀察、比較和記憶。

關鍵詞：手持技術；碳酸鈉；碳酸氫鈉

碳酸鈉與碳酸氫鈉的“溶解熱的比較、堿性強弱的比較、與鹽酸反應的速率比較和熱穩定性的比較”是鈉的化合物的主要教學內容。但是在教學中發現，這四組實驗存在以下問題：二者溶解存在熱量變化不明顯的問題，實驗過程中，很難用手感知溫度差異；水溶液都呈堿性，但pH差值不大，用pH試紙測定，堿性強弱不顯著；觀察與酸反應的速率時，反應較快，通過觀察很難判斷氣體放出的快慢；熱分解反應放出的二氧化碳用澄清石灰水檢驗，效果不明顯。手持技術應用于化學實驗中具有數字和圖形結合的特點，利用手持技術對該部分教學實驗進行改進，可以使實驗現象更直觀，更有利于學生的觀察、比較和記憶。

一、實驗藥品和儀器

鹽酸（0.1mol/L）、碳酸鈉（0.1mol/L）、碳酸氫鈉（0.1mol/L）、碳酸鈉和碳酸氫鈉固體、三口燒瓶、量筒、試管、注射器、橡皮塞、膠頭滴管。實驗采用Pasco公司的數字采集器、datastudio數據采集軟件、溫度傳感器、pH傳感器、CO2傳感器。

二、實驗步驟

組裝實驗裝置，將傳感器、數據采集器、計算機及其相對應的軟件相連接。分別做以下四組實驗：

（1）稱取1.68g碳酸氫鈉和2.12g碳酸鈉粉末（等物質的量），分別溶于10mL水，利用溫度傳感器測定其溫度變化。

（2）取0.1mol/L的碳酸氫鈉和碳酸鈉溶液各10mL，利用pH傳感器測定堿性大小。

（3）取0.1mol/L的碳酸氫鈉和碳酸鈉溶液各6mL，分別與10mL0.1mol/L鹽酸反應，利用CO2傳感器測量CO2濃度變化。該實驗用兩個三口燒瓶作為反應容器，一個盛有碳酸氫鈉溶液，一個盛有碳酸鈉溶液，每個三口燒瓶一口連接二氧化碳傳感器，另一口用注射器同時注入鹽酸。實驗裝置如圖1所示。

圖1　碳酸氫鈉溶液和碳酸鈉溶液與鹽酸反應的實驗裝置圖

（4）稱取少量碳酸氫鈉和碳酸鈉固體粉末放入試管中加熱，利用CO2傳感器測量CO2濃度變化。

三、實驗數據分析

1.碳酸氫鈉和碳酸鈉溶解過程溫度變化

圖2　等物質的量的碳酸氫鈉和碳酸鈉溶解時溫度變化情況

在常規實驗教學中，往往是在試管中溶解振蕩后讓學生用手感知試管底部溫度變化，碳酸鈉溶解放熱溫度略有升高可以感知，但碳酸氫鈉溶解時吸熱，并且熱量變化較小，用手不易感知到。

從圖2中可以看出碳酸鈉溶解時的溫度變化是升高的，碳酸氫鈉溶解時溫度變化是降低的。反應開始顯示室溫約為22℃，迅速將10mL水加入兩種固體中，振蕩溶解，溫度傳感器實時將體系內的溫度變化用圖表的形式表示出來，直觀的可以看出溶解后碳酸鈉溶液溫度高于初始室溫，而碳酸氫鈉溶液低于室溫。傳感器引入實驗教學中，結合實時、直觀的圖表和數字進行解釋說明，可以提高實驗結果的直觀性和數字化，學生更容易理解和記憶。

2.碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液pH大小

圖3　等物質量濃度的碳酸氫鈉和碳酸鈉溶液的pH變化情況

傳統實驗教學用酚酞溶液或pH試紙測定兩者水溶液的酸堿性，酚酞溶液可以通過溶液的顏色深淺進行定性說明，但是有時酚酞量過多或者溶液濃度不同都會對現象有影響，現象不明顯；用pH試紙測量，由于兩種溶液都呈堿性且pH差值不大，由于pH試紙的精確度不高，數據往往并不明顯。

從圖3中可以看出碳酸鈉溶液的堿性高于碳酸氫鈉溶液。利用pH傳感器測量溶液的pH值，實驗結果數字化、定量、精確，可以將兩組實驗的數據差別更直觀地表示出來。手持技術引進實驗中，可以把原本的定性實驗進行定量化，并且圖表簡單容易理解，數據直觀。

3.碳酸鈉和碳酸氫鈉與酸反應快慢

圖4　等物質量濃度的碳酸氫鈉和碳酸鈉與酸反應CO2產生濃度變化情況

傳統的實驗教學中，碳酸氫鈉和碳酸鈉與酸反應，由于現象不明顯，很多教師都進行過實驗改進，大多數都是改進實驗裝置。如在試管內反應，管口套有氣球的裝置，看氣球膨脹大小比較二者反應速率快慢［1］，但是也有教師對此實驗改進提出質疑［2］。該實驗特點是反應過快，操作不當容易漏氣或者氣球膨脹效果不明顯。

也有教師用壓力傳感器［3］，進行產生氣體的壓力的比較，也很好地說明反應速率，但是需要驗證產生的氣體為CO2，而用CO2傳感器，不需要再驗證產生的氣體是CO2。

用CO2傳感器對體系進行測量，圖4顯示結果碳酸氫鈉與酸反應的過程中測量數值迅速增大，出現曲線的斜率比碳酸鈉與酸反應的大。在圖3中，可以清晰看出碳酸氫鈉在反應過程中放出氣體量快于碳酸鈉。碳酸氫鈉曲線斜率較大，CO2濃度增長遠遠高于碳酸鈉，反應進行2分鐘后碳酸氫鈉產生的CO2量基本穩定，而碳酸鈉產生的CO2量仍然不斷緩慢增長。基于酸過量情況，最后產生的二氧化碳氣體量應該是相同的。利用手持技術，通過圖表曲線變化趨勢可以看出二者明顯的差異性。

4.碳酸氫鈉和碳酸鈉熱穩定性

圖5　等質量的碳酸氫鈉和碳酸鈉受熱分解產生CO2濃度大小情況

傳統實驗教學不能直觀地看到二氧化碳的生成，需要用澄清的石灰水驗證，且無法進行直觀比較。

應用手持技術，實驗中用CO2傳感器直接測量碳酸氫鈉和碳酸鈉受熱分解情況。圖5明顯可以看出碳酸鈉受熱后一段時間立即產生CO2，氣體量不斷增加。直觀表明受熱可發生化學變化并證明產生氣體為CO2，而碳酸鈉受熱分解CO2數值無變化。運用該傳感器的優勢可使學生們看出反應產生CO2變化的具體情況，加深對二者性質的本質區別，使實驗更加直觀、具體。

三、實驗小結

在碳酸氫鈉和碳酸鈉性質的學習過程中，通過四組實驗的設計，使用多種傳感器進行實驗。傳感器的數字化、定量化、圖形化、數形結合，使二者的物理性質和化學性質的比較更直觀，易于學生觀察，促進學生理解。

參考文獻

［1］葉珍.碳酸鈉與碳酸氫鈉分別與鹽酸反應的實驗改進［J］.文理導航（中旬），2014，1

［2］潘澤新.碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應實驗改進的探索過程［J］.第五屆中國教育技術裝備論壇獲獎論文集（中），2014，11

［3］曾珍，鮑正榮.利用“手持技術”比較碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應的速率［J］.中小學實驗與裝備，2012，3（22）：11-26

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.03.032

文章編號：1008-0546（2016）03-0088-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

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