用數字化實驗探究碳酸氫鈉和氯化鈣的反應

徐雯 陳瑤

摘 要：在NaHCO3溶液與CaCl2溶液反應的實驗中，本文采用pH傳感器和CO2傳感器，根據反應過程中溶液的pH和CO2濃度的變化探討反應產物，同時通過不同濃度反應物的反應也可以讓學生認識到反應物濃度對反應速率的影響。將該實驗運用于高中化學必修一“碳酸氫鈉和碳酸鈉的鑒別”的教學中，有利于學生正確理解NaHCO3與CaCl2的反應，突破教學中的難點與疑點。

關鍵詞：氯化鈣;碳酸氫鈉;pH傳感器;CO2傳感器

一、問題的提出

Na2CO3和NaHCO3是都是常見的Na的化合物，而Na2CO3和NaHCO3的性質比較和鑒別是教學中的重要內容。在目前的中學化學課堂教學中，學生已經知道，可以根據兩種物質的熱穩定性和與酸反應的不同現象來鑒別Na2CO3和NaHCO3，那么能否用CaCl2溶液鑒別Na2CO3和NaHCO3呢？通過實驗可以發現CaCl2溶液分別與Na2CO3和NaHCO3溶液反應都會出現溶液渾濁的現象，也會反應生成沉淀，現象看似差別不大，那么CaCl2溶液是否可以鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液，以及如何讓學生能夠直觀地觀察到實驗現象，深刻地理解CaCl2和NaHCO3的反應呢？

為此，我們針對CaCl2溶液和NaHCO3溶液反應的實驗進行了改進，在實驗中引入pH傳感器和CO2傳感器分別來檢測反應過程中pH值、CO2濃度的變化，學生可以直觀地從計算機軟件生成的pH值與CO2濃度變化曲線中“觀察”到CaCl2和NaHCO3是否發生了反應。同時，本實驗通過不同反應物濃度之間的反應，也可以讓學生認識到反應物濃度對反應速率的影響。相對于電導率傳感器、渾濁度傳感器等，能夠使學生更容易理解pH傳感器和CO2傳感器的作用，同時幫助他們理解傳感器對應數據的含義，并對圖表分析比較能力有一定的提升。

二、實驗步驟

①分別配制0.05 mol/L、0.1mol/L、0.2mo1/L碳酸氫鈉溶液與0.1mol/L氯化鈣溶液，備用。使用移液管（25mL）移取25 mL，0.1mol/L的氯化鈣溶液至三頸燒瓶（100mL）中;

②搭建實驗裝置。將30mL注射器、CO2傳感器和pH傳感器（傳感器已提前預熱）按順序從左至右分別置入三頸燒瓶中，并保證嚴格密封，且保持CO2傳感器暴露于三頸燒瓶內的氣體中而pH傳感器末端被溶液浸沒;打開Logger Pro 3.8.6軟件，在數據采集器中設置模式（M）為“基于時間”，期間（D）為“600秒”，選擇“持續采集數據”，開啟磁力攪拌器，當傳感器數據穩定時點擊“采集”數據，用注射器向瓶內注射25mL的0.05mol/L碳酸氫鈉溶液。實驗完成后，將實驗結果導出到計算機中進行分析處理。

③控制變量，將反應底物25mL，0.2mol/L碳酸氫鈉溶液和25mL，0.1mol/L氯化鈣溶液，25mL，0.2mo1/L碳酸氫鈉溶液和25mL，0.1mol/L氯化鈣溶液，重復上述操作，得到不同的實驗曲線。

三、實驗結果討論

導出實驗數據，觀察CO2含量和pH變化。可以看出，在不同濃度下該反應都存在，當碳酸氫鈉溶液剛剛加入后，混合液的pH迅速上升，隨著反應的進行，混合液的pH逐漸下降，這說明呈堿性的HCO3被消耗，而二氧化碳的濃度在不斷上升，說明此反應產生了二氧化碳，當反應進行到一段時間后，說明Ca2+和HCO3-反應生成碳酸鈣和二氧化碳，反應進行一段時間后，溶液變渾濁，反應結束去除混合液后，發現瓶底附著一層白色固體，反應所得的二氧化碳濃度變化、pH的變化與觀察到瓶中的現象可充分證明了碳酸鈣和二氧化碳的產生。

四、實驗改進的意義

（1）通過對Na2CO3、NaHCO3的鑒別實驗改進，讓學生更多的接觸數字化儀器，增強學生學習化學的興趣，同時將課本實驗更加具體化，現象更明顯。

（2）利用本實驗進一步掌握離子反應的知識，認識化學反應的實質是離子間的反應，對復分解反應有更深刻的認識。

（3）該實驗具有操作簡單、現象直觀等特點，可實際應用于高一必修內容的教學。

五、結語

化學實驗是化學課堂中激發學生興趣的有效方法之一。快速、簡潔、整體的實驗驗證可以提高課堂效率，提升學生思維，使教學更加豐富多彩。對教學實驗的研究更要突出安全性、科學性、可操作性、簡潔性。

筆者在常規實驗中加入數字化傳感器對碳酸氫鈉溶液和氯化鈣溶液的反應進行了實驗探究，借助計算機生成的CO2含量和溶液pH變化圖，讓學生能夠直觀地觀察到該反應的產物。將該實驗運用于高中化學必修一“碳酸氫鈉和碳酸鈉的鑒別”的教學中，有利于學生正確理解碳酸氫鈉與氯化鈣的反應，突破了教學中的難點與疑點。同時，在學生學習選修《化學反應原理》“難溶電解質的沉淀溶解平衡”內容時，帶領學生計算該反應的溶度積常數，學生在掌握溶度積常數相關知識的同時深入理解碳酸氫鈉與氯化鈣反應的本質。

傳感技術作為一種新的教學輔助手段，能夠將原本不能完成的實驗變為現實，同時也能夠讓學生直觀地觀察到肉眼無法直接看到的實驗現象，該技術即時、準確地呈現出數據并為定量實驗的設計創造了可能。本實驗將傳感技術引入課堂教學，幫助學生從量的角度認識化學變化的本質，使化學的科學性得到了進一步的彰顯。許多學生對傳感器都具有極大的興趣及熱情，因此，獨特的觀察角度與新穎的實驗操作能夠進一步提升學生的學習興趣，也有利于激發學生對于如何應用傳感器設計更多定量的實驗來揭示物質性質的想法。

參考文獻：

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