借助傳感器探究碳酸鈉與碳酸氫鈉的熱穩定性

徐建菊 吳曉紅

摘要： 對酒精燈加熱條件下碳酸鈉與碳酸氫鈉時導管插入澄清石灰水均出現渾濁的現象，進行理論分析并設計實驗進行探究。用二氧化碳傳感器測定在酒精燈加熱條件下，碳酸鈉、碳酸氫鈉試樣及灼燒約1小時的碳酸氫鈉密閉體系內二氧化碳濃度的變化情況。結果表明，用酒精燈加熱時，碳酸氫鈉不穩定易分解，而碳酸鈉很穩定不易分解。通過分析此現象，有助于深化學生對碳酸鈉與碳酸氫鈉熱穩定性的理解。

關鍵詞： 碳酸鈉; 碳酸氫鈉; 熱穩定性; 二氧化碳傳感器; 實驗探究

文章編號： 10056629（2019）4006304中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》在對素養4“科學探究與創新意識”劃分的水平4中指出“能用數據、圖表、符號等處理實驗信息;能對實驗中的‘異常現象和已有結論進行反思、提出質疑和新的實驗設想，并進一步付諸實施”[1]。由此可知實驗過程中出現的“異?，F象”隱含著可挖掘的潛在知識和價值。筆者在進行碳酸鈉與碳酸氫鈉熱穩定性區別的實驗時發現了“異?，F象”，即酒精燈在加熱碳酸鈉和碳酸氫鈉固體時，將導管插入澄清石灰水中，澄清石灰水都變渾濁了。對于碳酸鈉和碳酸氫鈉熱穩定性的比較，人教版高中化學教材安排在“科學探究”欄目中，進行套管實驗，實驗過程中師生一起得出關于碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩定性，即碳酸鈉加熱不分解，碳酸氫鈉加熱易分解[2];魯科版高中化學教材安排在“活動·探究”欄目中，得出的結論是：“實驗表明，在酒精燈加熱的條件下，碳酸鈉不能分解，而碳酸氫鈉能分解生成碳酸鈉、水和二氧化碳”[3];蘇教版高中化學教材安排在“活動與探究”欄目中，通過實驗得出關于碳酸鈉和碳酸氫鈉的化學性質對比的表格，表格中關于二者熱穩定性是這樣描述的：“碳酸鈉穩定、碳酸氫鈉不穩定”[4]。三個版本教材在對于二者熱穩定性的描述中都能得出碳酸鈉穩定而碳酸氫鈉不穩定這一說法，可見筆者所得實驗現象與教材描述不相符。基于這一實驗現象，筆者設計了實驗，借助維尼爾（Vernier）二氧化碳傳感器實時采集密閉體系中二氧化碳濃度的變化來區別碳酸鈉與碳酸氫鈉的熱穩定性。

2 實驗原理

許多鹽受熱會發生分解反應，由于鹽的種類不同，分解產物的類型、分解反應的難易有很大差別。對于無機含氧酸鹽，較為普遍的是受熱分解生成原始組成的氧化物或酸和堿，同種金屬對應的碳酸鹽較碳酸氫鹽的熱穩定性強[5]。

二氧化碳傳感器在化學實驗中能夠測量二氧化碳氣體的濃度，測量結果表示為體積分數，測量范圍為0到100000ppm。借助二氧化碳傳感器可以實時準確地測量碳酸鈉和碳酸氫鈉受熱過程中體系二氧化碳濃度的變化，由二氧化碳濃度的變化來說明碳酸鈉與碳酸氫鈉熱穩定性的區別。

3 實驗過程

3.1 儀器、藥品和材料

威尼爾（Vernier）二氧化碳傳感器、數據采集器、USB數據線、電腦和配套軟件、origin 7.5軟件

碳酸鈉（AR）、碳酸氫鈉（AR）

酒精燈、火柴、止水夾、乳膠管、自制具支大試管、鐵架臺、藥匙、稱量紙、分析天平、烘干箱、蒸發皿、玻璃棒、三腳架

3.2 實驗步驟

（1） 組裝儀器： 如圖1所示，連接好儀器，固定裝置并檢查裝置的氣密性。

1—鐵架臺;2—酒精燈;3—藥品;4—自制具支大試管;5—乳膠管和止水夾;6—二氧化碳傳感器;7—數據采集器;8—計算機

（2） 裝藥品： 稱取約0.5g碳酸鈉固體于自制具支大試管底部，塞上二氧化碳傳感器。

（3） 開始實驗： 打開電腦上軟件，設置軟件菜單欄中“實驗”中“數據采集”為“持續采集數據”，點擊“采集”按鈕，傳感器開始預先采集試管內二氧化碳濃度，待數據穩定后點燃酒精燈，先對試管底部預熱再集中加熱，實驗持續到數據較為平緩時即可停止采集，保存實驗數據，后期用origin 7.5軟件完成作圖。

（4） 清洗試管并干燥，稱取約0.5g碳酸氫鈉固體于試管底部，塞上二氧化碳傳感器，重復步驟（3），保存實驗數據并做相關的處理。

（5） 清洗試管并干燥，將灼燒約1h冷卻后的0.5g碳酸氫鈉固體于試管底部，塞上二氧化碳傳感器，重復步驟（3），保存實驗數據并做相關的處理。

4 圖像分析

4.1 加熱碳酸鈉固體體系CO2隨時間變化情況

由圖2可知，曲線先緩慢上升后趨于平緩，體系二氧化碳濃度在增加，此情況下說明酒精燈加熱能使碳酸鈉固體分解。加熱0.5g碳酸鈉固體得到圖2曲線大約用時1400s，對曲線進行線性擬合，得到一定時間內體系二氧化碳濃度的變化速率約為5.104ppm/s，圖中停止加熱時體系二氧化碳濃度約為12170ppm，即為1.217%。

4.2 加熱碳酸氫鈉固體體系CO2隨時間變化情況

由圖3可知，曲線呈急劇上升趨勢，到一定時間后瞬間保持平衡（注： 本實驗中二氧化碳傳感器量程為0～100000ppm，超過該量程無法測量，故瞬間保持平衡），體系二氧化碳濃度在急劇增多，說明酒精燈加熱能使碳酸氫鈉固體快速分解。加熱0.5g碳酸氫鈉固體得到圖3曲線大約用時100s，對曲線進行線性擬合，得到一定時間內體系二氧化碳濃度的變化速率約為1545ppm/s，圖中停止加熱時體系二氧化碳濃度約為100242ppm，即為10.0242%。

4.3 分析討論

本實驗中由圖2、圖3可得出相應的結論：“碳酸鈉和碳酸氫鈉固體在酒精燈加熱的條件下都能分解產生二氧化碳”，這一結論與筆者實驗（澄清石灰水變渾濁）相符合。然而在魯科版教材中明確指出在酒精燈加熱的條件下，碳酸鈉不能分解，故而不能使澄清石灰水變渾濁，本文實驗中的結論只有碳酸氫鈉符合教材描述?；谶@一現象，我們考慮到可能是以下幾個問題所致： （1）傳感器的問題;（2）藥品的問題;（3）加熱的問題。針對這幾個問題，我們依次進行了試驗，對于問題（1），我們用二氧化碳傳感器檢測了空氣中二氧化碳濃度，檢測結果約為295ppm，即空氣中二氧化碳濃度約為0.0295%，該實驗數據與人教版九年級化學教材中所說二氧化碳在空氣中濃度約為0.03%[6]幾乎相等。此外我們又進行了空白實驗，只對試管進行加熱，傳感器采集到的二氧化碳濃度并未上升，由此可知傳感器沒問題，實驗中的“異?，F象”不是傳感器所致;對于問題（2），我們更換另一分析純的碳酸鈉固體重復實驗依舊得到圖2;對于問題（3），其實質是溫度的高低。查閱教材得知堿金屬對應的碳酸鹽其受熱分解溫度由上而下依次升高，分解溫度依次是碳酸鋰<碳酸鈉<碳酸鉀<碳酸銣<碳酸銫，書中給出碳酸鋰的分解溫度是1543K，即1300℃[7]，由此可知碳酸鈉熱分解的溫度高于1300℃。而借助手持技術中的高溫傳感器測得酒精燈的溫度最高達不到1000℃[8]，由此可知酒精燈加熱條件下碳酸鈉固體是不會分解的。若想讓碳酸鈉受熱分解，熱源提供的溫度必須不小于其熱分解溫度。造成圖2的現象只能說明是藥品的問題，即碳酸鈉固體中含有極少量的碳酸氫鈉固體或其他受熱極易分解的碳酸鹽。為進一步用實驗來說明問題，我們稱取約0.5g碳酸氫鈉固體，用酒精燈灼燒約1h，冷卻后放入自制具支試管中，塞上二氧化碳傳感器，重復步驟（3），得到圖4。

4.4 加熱灼燒后的碳酸氫鈉固體體系CO2隨時間變化情況

由圖4可知，對灼燒約1h后的0.5g碳酸氫鈉固體再次進行加熱，曲線基本保持平緩與x軸重合（注： 有略微的上升趨勢主要是因為灼燒時間長短導致極少量碳酸氫鈉固體還未分解完全）。加熱0.5g灼燒約1h后的碳酸氫鈉固體得到圖4曲線大約用時600s，對曲線進行線性擬合，得到一定時間內體系二氧化碳濃度的變化速率約為1.182ppm/s，圖中停止加熱時體系二氧化碳濃度約為920ppm，即為0.092%。此圖已能說明一定的問題，若繼續對0.5g碳酸氫鈉固體灼燒，到一定時間后再用二氧化碳傳感器進行數據采集，理論上會得到體系二氧化碳濃度基本保持不變的曲線，由此可進一步確定碳酸鈉固體在酒精燈加熱的條件下是不會分解的，實驗中出現的現象是藥品不純所致。

5 結論

通過實驗可知，當酒精燈作為熱源進行加熱時，碳酸鈉固體很穩定不會分解，而碳酸氫鈉固體不穩定易分解，且分解速率較快。導致這樣的區別除物質本身的性質外還與受熱溫度密切相關，一旦受熱溫度達到碳酸鈉固體分解溫度時，碳酸鈉也能分解。

6 結語

化學試劑的純度常會影響實驗結論與理論分析不相符的情況，當此現象出現時，教師的處理方式在一定程度上決定了學生知識的掌握情況和對待學習的態度。針對碳酸鈉與碳酸氫鈉熱穩定性教學，倘若教師只是一味地給學生灌輸碳酸鈉加熱不分解而碳酸氫鈉加熱易分解這一結論，而對其本質原因卻不做解釋，當實驗過程中出現“異?！爆F象時，又叫學生如何去分析呢？綜上，為避免學生“知其然而不知其所以然”這一現象的發生，教師在授課過程中應結合學生情況隨時調整教學方式，當宏觀現象不明顯時教師可借助諸如二氧化碳傳感器等手持技術進行實驗探究活動，使實驗現象數據化、直觀化，方便學生理解和記憶。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 91.

[2]宋心琦主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M]. 北京： 人民教育出版社， 2007： 56.

[3]王磊主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M]. 濟南： 山東科學技術出版社， 2007： 64～65.

[4]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M]. 南京： 江蘇教育出版社， 2014： 52.

[5][7]武漢大學， 吉林大學等校編. 無機化學（下冊）[M]. 北京： 高等教育出版社， 1994： 707～710.

[6]王晶， 鄭長龍. 義務教育課程標準實驗教科書·化學（上冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 27.

[8]吳曉紅， 劉萬毅， 任斌. 基于手持技術的中學化學實驗案例[M]. 北京： 冶金工業出版社， 2016： 7～8.