基于證據推理的實驗探究

李輝力 梁淑珍 鄭柳萍

摘 要：針對初中化學教學和中考試題中兩個實驗探究“NaOH與CO2能否反應”和“NaOH溶液吸收CO2變質后溶液中溶質的成分”存在的問題從理論分析和實驗驗證兩個方面進行探討，還原實驗探究的真實情境和目的，同時為中考實驗探究題的命制提供實驗情境和理論依據。

關鍵詞：NaOH溶液與CO2；證據推理；科學探究；理論分析；實驗驗證

《普通高中化學課程標準（2017年版）》將化學學科核心素養分為5個方面：宏觀辨識與微觀解析；變化觀念與平衡思想；證據推理與模型認知；科學探究與創新意識；科學精神與社會責任。證據推理：具有證據意識，能基于證據對物質變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系；知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征。科學探究：能發現和提出有探究價值的問題；能從問題和假設出發，依據探究目的，設計探究方案，運用化學實驗、調查等方法進行實驗探究；勤于實踐，善于合作，敢于質疑，勇于創新。化學是一門以實驗為基礎的自然科學，在實驗探究過程中去培養學生的化學學科核心素養，而基于證據推理的實驗探究更能體現化學的學科特點。初中化學教學和試題中的兩個實驗“NaOH與CO2能否反應”和“NaOH溶液吸收CO2變質后溶液中溶質的成分”是很好的探究題材，其探究過程中涉及證據推理、變化觀念、宏觀辨識、科學探究、創新意識、科學態度等化學學科核心素養。

一、 問題與現狀

在探究“NaOH與CO2能否反應”的教學中，大多數教師是利用NaOH溶液與CO2來進行實驗探究，由于NaOH溶液與CO2氣體的反應過程中沒有特別明顯的可觀察到的實驗現象，經常根據反應后CO2氣體的減少來設計實驗證明NaOH溶液與CO2氣體能發生化學反應，同時還要利用控制變量來設計對比實驗排除水與CO2氣體反應對實驗的影響。在實際教學過程中學生還會提出“反應本質中是不是CO2氣體先與水反應生成碳酸，碳酸再與NaOH發生中和反應”的疑問。顯然這樣的實驗設計并不能幫助學生去正確認識NaOH與CO2之間的反應，學生無法通過實驗現象的觀察來判斷物質間是否發生化學變化和分析化學反應的本質，如果我們利用NaOH固體與CO2氣體來進行實驗探究就可以解決上述問題。

在探究“NaOH溶液吸收CO2變質后溶液中溶質的成分”的專題復習教學中，大多數教師沒有思考如何通過控制反應物的質量來達到NaOH溶液的部分變質或完全變質，實際教學中經常是：完全相信試題所呈現的實驗情境，進行就題講題的偽實驗探究；配制NaOH與Na2CO3混合溶液，進行人為設計的“假”實驗探究。利用容積不同的塑料瓶來收集CO2氣體分別與相同質量的NaOH溶液反應，可讓學生在真實的實驗情境下去探究反應，也讓教師在真實的實驗探究中去審視試題情境的真實性，共同培養學生獨立思考、敢于質疑批判的品質。

二、 實驗準備

（一） CO2氣體的制取和收集

二氧化碳必須是純凈干燥的，可將產生的二氧化碳氣體經過飽和碳酸氫鈉溶液（除去HCl氣體）和濃硫酸（吸收水蒸氣）后采用向上排空氣法收集。利用軟塑料瓶（相同品牌、不同容積的礦泉水瓶）分別收集380mL、550mL和1500mL各一瓶的CO2。（二） NaOH溶液的配制

配制不含Na2CO3的NaOH溶液：先將NaOH配成飽和溶液（物質的量濃度為20.28mol/L）。Na2CO3在飽和NaOH溶液中幾乎不溶解，會慢慢沉淀出來，待Na2CO3沉淀完全后，可吸取19.7mL的上層清液，加水稀釋至100mL可得4.0mol/L的NaOH溶液（20mL溶液中含3.2g，下同）。此外，用來配制NaOH溶液的蒸餾水，也應加熱煮沸放冷，除去其中的CO2。

三、 科學探究Ⅰ：設計一個簡單實驗證明NaOH與CO2發生反應

（一） 提出問題

設計實驗證明NaOH溶液與CO2發生反應，由于CO2能溶于水且能與水反應，因此要進行對比實驗。能否只設計一個簡單實驗來證明NaOH與CO2發生反應？

教學靈感來自教材下冊P46“固體氫氧化鈉還能吸收二氧化碳氣體而變質”。能否用固體NaOH與CO2氣體來證明兩者能發生反應？

（二） 理論分析（推理）進行實驗改進和創新

問題：如何證明CO2氣體被消耗？

學生：用塑料瓶做反應容器，可觀察塑料瓶變癟的情況來真切地感知反應是否發生。

問題：如何證明有H2O生成？

學生：用固體NaOH與純凈干燥的CO2反應，觀察是否有H2O生成。

問題：如何證明有Na2CO3生成？

學生：加入足量的稀鹽酸，若有Na2CO3，則能產生大量的CO2氣體，理論上Na2CO3與稀鹽酸反應產生的CO2等于原來塑料瓶中的CO2，預測可觀察到塑料瓶恢復到原來的形狀。

實驗改進和創新：

往充滿純凈干燥CO2氣體的塑料瓶中加入NaOH固體，旋緊瓶塞，充分振蕩。

（三） 實驗過程和現象記錄（證據）

（四） 實驗反思與拓展

NaOH不宜過多，約為1.4g，通過實驗前的稱量約為1藥匙；不斷振蕩，避免塑料瓶某個地方熱量過于集中而軟化甚至熔化；塑料瓶的密封性良好，實驗過程中可用水冷卻。

四、 科學探究Ⅱ：NaOH溶液吸收CO2變質后溶液中溶質的成分

（一） 提出問題

問題來源于2017年湖南懷化市中考化學試題第28題（節選）的探究情境：

【提出問題】

氫氧化鈉溶液中通入CO2一段時間后所得的溶液（下面稱樣品）中會有什么溶質？

【提出猜想】A. 溶質是NaOH、Na2CO3；B. 溶質是Na2CO3；

C. 溶質是Na2CO3、NaHCO3；D.溶質是NaHCO3。

【設計實驗方案】

【得出結論】猜想C成立。注：圈內的內容為主要問題來源和探究內容。

向學生展示上述試題，學生馬上聯想到新課講授時對NaOH溶液吸收CO2變質后其溶液中溶質成分的猜想如下：①NaOH和Na2CO3（NaOH部分變質）；②Na2CO3（NaOH完全變質）。在學生產生強烈的思維沖突下適時向學生提出問題：

問題：實驗如何控制CO2的質量來使得NaOH部分變質或完全變質？通入CO2一段時間顯然無法控制反應的進程。

問題：變質后溶液中溶質的成分是4種情況還是2種情況？

問題：如何采用正確的實驗方法來證明反應后溶液中溶質的成分？

（二） 理論分析（推理）進行實驗改進和創新

教學靈感來自礦泉水塑料瓶有固定的容積可控制CO2氣體的體積（質量）。常溫時，CO2氣體的密度為1.977g/L。550mL塑料礦泉水瓶充滿CO2（CO2約為1.08g）；1500mL塑料礦泉水瓶充滿CO2（CO2約為2.95g）。通過多次計算選擇這兩種規格的塑料瓶以達到教學和實驗的目的。

問題：計算20mL NaOH溶液（含3.2 g NaOH）要與多少克CO2反應完全生成Na2CO3？

學生：通過2NaOH+CO2Na2CO3+H2O計算可知3.2 g NaOH要與1.76g CO2反應才能完全反應生成

Na2CO3。

問題：已知550mL塑料瓶中的CO2約為1.08g；1500mL塑料瓶中的CO2約為2.95g。分別往550mL和1500mL塑料瓶（充滿純凈干燥CO2中加入20mL NaOH溶液，迅速旋緊瓶塞，充分振蕩。你預測反應的現象是什么？

學生：從1.08g<1.76g<2.95g的關系可預測反應的現象為550mL的塑料瓶會完全變癟（塑料瓶中CO2完全反應）；1500mL的塑料瓶不會完全變癟（塑料瓶中CO2有剩余）。

（三） 實驗過程和現象記錄（證據）

學生分組實驗：利用大理石與稀鹽酸反應產生CO2氣體并依次通過裝有飽和碳酸氫鈉溶液和濃硫酸的洗氣瓶，收集兩瓶（550mL塑料瓶、1500mL塑料瓶）純凈干燥的CO2氣體；分別快速地倒入20mL的NaOH溶液，旋緊瓶塞，充分振蕩，觀察現象。

實驗現象：反應放出大量的熱，兩個塑料瓶幾乎都完全變癟。

問題：兩個塑料瓶幾乎都完全變癟（如圖1所示）說明什么？

學生：CO2能繼續發生反應。

引導學生查閱資料收集證據：

NaOH與CO2的反應情況為2NaOH+CO2Na2CO3+H2O；Na2CO3+CO2+H2O2NaHCO3。

問題：根據上述資料你能做出什么更合理的猜想？

學生：根據以上的反應，可以推理出反應后溶液中溶質的4種情況：

（1）Na2CO3、NaOH（部分NaOH與CO2反應生成Na2CO3；

（2）Na2CO3（NaOH與CO2恰好完全反應生成Na2CO3；

（3）Na2CO3、NaHCO3（部分Na2CO3與CO2反應生成NaHCO3；

（4）NaHCO3（Na2CO3與CO2恰好完全反應生成NaHCO3。

由于對NaHCO3這種物質的了解有限，應指導學生查閱NaHCO3的相關資料：

①20℃時，在水中，NaHCO3的溶解度為9.6g（Na2CO3的溶解度為21.8g）。

②其水溶液在20℃時開始分解出二氧化碳和碳酸鈉，到沸點時全部分解。

③溶于水時呈現弱堿性。25℃新鮮配制的0.1mol/L水溶液pH為8.3。

教師提示：酚酞的變色范圍為pH 8.2～10.0，由無色變紅色。

理論分析推理：引導學有余力的學生可以通過計算求出兩個塑料瓶中溶質的成分和質量。

通過理論計算去預測反應的現象和結果可以提升學生的科學探究的有效性。

550mL塑料瓶溶液中的溶質是2.60g Na2CO3和1.74g NaOH。

1500mL塑料瓶溶液中的溶質是1.37g Na2CO3和4.54g NaHCO3。

由于反應放出大量的熱，可將塑料瓶放于冰水中冷卻后再進行觀察和驗證。

問題：設計實驗驗證550mL塑料瓶溶液中的溶質是什么物質？

實驗過程：

結論：550mL塑料瓶溶液中的溶質是Na2CO3和NaOH。

問題：1500mL塑料瓶溶液中的溶質有什么物質？

學生：冷卻后，1500mL塑料瓶中會有大量固體析出（如圖2所示），從資料中可知NaHCO3的溶解度較小，析出的固體是NaHCO3，說明瓶中的溶液為NaHCO3的飽和溶液。

（四） 實驗反思和拓展

在課前實驗準備過程中發現兩個“異常”的實驗現象：

①1500mL塑料瓶中的混合溶液（理論上為含有Na2CO3的NaHCO3飽和溶液）中滴加BaCl2溶液的過程中

不斷有小氣泡產生（剛開始時氣泡較少，后來氣泡逐漸增多）；

②滴加BaCl2溶液至不再產生沉淀，取上層清液滴加足量稀鹽酸卻看不到有氣泡產生；取上層清液滴加酚酞試液也看不到溶液顯紅色。

可能原因：NaHCO3溶液不穩定，在20℃時開始分解出CO2和Na2CO3，分解產生的Na2CO3與加入的BaCl2溶液反應，導致最終NaHCO3完全分解。

驗證實驗：取約2 mL 4℃0.1mol/LNaHCO3溶液于試管中，滴加幾滴BaCl2溶液。

現象：有白色沉淀生成。說明NaHCO3溶液不穩定，會分解生成Na2CO3。

在論文學習過程中得知通過手持技術設計實驗與理論推導相結合的方法最終得出在常量范圍內可用氯化鋇來鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉的結論，但在初中化學實驗室是很難達到的。試題利用“滴加BaCl2溶液有白色沉淀生成來得到溶質中沒有NaHCO3”的實驗方法和結論是不夠準確的。

NaOH與CO2恰好反應生成Na2CO3；Na2CO3溶液與CO2反應全部生成NaHCO3。這兩種情況在實際實驗中是很難做到的，可以引導學生從化學學科核心素養“變化觀念與平衡思想”的角度去理解。

五、 幾點思考

科學探究是讓我們設計出簡單可行的化學實驗方案而不是把實驗復雜化，探究之前進行理論分析推理可減少實驗的錯誤率和一些不必要的對比實驗。平時教學中應注重培養學生的分析推理和實驗創新能力，讓學生完成自己設計的實驗而不是教師事先設計好的實驗。

反應的可能性（理論分析、計算等得出的）和反應的現實性（在一定條件下反應實際發生時的具體情況）之間的區別和辯證關系。無法通過實驗確定1500mL塑料瓶中的溶液是否含有Na2CO3，這是本次實驗探究中遺留的一個問題，在今后的教學過程中繼續探究。

試題的命制過程中涉及實驗探究的情境時，應充分考慮實驗的現實性、實驗探究情境的真實性，而不是憑空想象或隨意捏造的。教師對試題應該心存敬意（試題命制是一件很不容易的事），但也要有自己的見解和看法，教師要先有思辨和批判的精神，才能培養學生的思辨和批判的精神。

（通訊作者：鄭柳萍）

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作者簡介：李輝力，福建省泉州市，泉州第五中學；

梁淑珍，福建省泉州市，泉州第九中學；

鄭柳萍，福建省福州市，福建師范大學化學與材料學院。