運用化學數字化實驗，突破NaHCO3與堿反應學習難關

徐浩年　徐從麗　周韋俊

摘要：NaHCO3作為酸式鹽的典型代表物，理解它與堿[如Ba（OH）2]反應的原理是學生學習中的一個難點。本文從學生學習NaHCO3與堿反應的學習障礙出發，經過分析得出結論：學生最大的學習障礙是傳統化學實驗中沒有與微觀反應過程對應的宏觀現象表征，無法為教師引導學生進行微觀探析活動提供直觀有力的證據支持。故而設計化學數字化實驗來探究NaHCO3與堿反應的原理，得到反應混合溶液的pH變化曲線，增強學生的曲線表征以及宏微結合解決問題的能力，幫助學生突破學習中的難點，從而使學生能夠順利建構NaHCO3與堿[如Ba（OH）2]反應的原理。

關鍵詞：數字化實驗 碳酸氫鈉 pH實驗探究

NaHCO3是人教2003版必修1第三章金屬及其化合物中鈉的重要化合物部分的教學內容。NaHCO3既是鈉鹽，也是學生接觸的第一種酸式鹽，是弱酸酸式鹽代表物，它的化學性質主要跟HCO-3有關，對于它的性質的學習將為學生今后理解酸式鹽的通性奠定基礎。多年的教學經驗告訴我，NaHCO3與堿[如Ba（OH）2]的反應是學生學習中的一個難點，僅憑傳統的實驗和教師的講解，大多數學生無法真正理解和接受NaHCO3與堿反應的本質和原理，在解決問題時經常出錯。如何突破這一難點，促進學生對知識的理解，進而形成解決問題的能力呢？本文通過分析學生學習NaHCO3與堿反應存在困難的原因，找到化學數字化實驗這一現代化實驗方法來幫助學生突破學習中的難點。

一、NaHCO3與堿反應學習難點成因

1.學生認知度低。

雖然學生在初中化學中已經學習過NaHCO3，但當時僅僅介紹了NaHCO3與酸的反應及應用，NaHCO3的其他性質，學生在初中化學中并沒有學習過，而且初中化學并不要求學生學習酸式鹽，所以絕大部分學生不知道NaHCO3屬于酸式鹽，當NaHCO3以酸式鹽的身份出現時，對剛進入高一不久的學生來說是高度陌生的，這成為學生學習NaHCO3的一個認知障礙。

2.教材基礎理論知識滯后。

我們教師都知道NaHCO3與堿反應的本質是HCO-3電離出的H+與堿中的OH-反應。但高一的學生僅僅知道NaHCO3電離成Na+和HCO-3，必修一教材上通過科學探究，學生了解到NaHCO3溶液呈現堿性，那么呈堿性的NaHCO3溶液再與堿[如Ba（OH）2]溶液的反應，其反應的原理和實質是學生難以理解的，弱酸的酸式酸根的電離和水解要在選修4《化學反應原理》模塊中才進行學習，教材在相關學習內容的安排上跨度過大，高一的學生沒學到HCO-3的電離和水解是一種競爭反應，因此，學生是不可能想到HCO-3中的氫元素能以H+的形式參與堿的反應的，即使教師直接告訴學生，學生只是單純的接受知識，不了解內因，不能較全面的分析該化學反應的實質。這就是學生學習NaHCO3與堿反應的理論障礙。

3.教學方法上缺少方便有效的直觀教學手段。

將NaHCO3溶液與堿溶液[NaOH、Ba（OH）2等]相混合的傳統實驗往往沒有現象或只有產生沉淀的現象，無法體現出HCO-3中的H+與堿中的OH-反應這一微觀本質，教師也就缺少引導學生進行由表及里地推理的證據。這就是學生學習NaHCO3與堿反應的方法障礙。

二、應用化學數字化實驗幫助學生突破學習難點

基于以上對學生學習NaHCO3與堿反應的困難分析可知，突破學生學習難點的關鍵在于用直觀的手段向學生呈現HCO-3中的H+與堿中的OH-反應這一微觀過程，從而為學生進行微觀探析活動，理解、接受NaHCO3與堿反應的原理提供證據。

數字化實驗簡稱DIS（Digital Information System）實驗，是指通過傳感器、數據采集器、計算機及相關數據處理軟件組成的能夠自動實時地采集數據，并以曲線（圖表）的形式呈現數據的現代化的新型實驗技術手段。化學數字化實驗能將微觀的化學變化數據化（將微觀的化學變化轉化為某一對應物理量的數據變化），并將數據曲線化（連續測量的數據以曲線的形式呈現），從而將難以感知（觀察）的微觀過程以曲線的形式直觀地呈現在學生面前，為學生的微觀探析活動和邏輯推理過程提供有力的證據支撐。

NaHCO3與堿反應時OH-參與反應這一微觀事實表明，當向一定體積一定濃度的堿溶液[如Ba（OH）2溶液]中滴加一定濃度的NaHCO3溶液時，反應混合溶液的pH會隨著OH-參與反應而減小，當然加入NaHCO3溶液的稀釋作用也會使反應混合溶液的pH減小，如果扣除稀釋作用的影響后反應混合溶液的pH仍然減小，則反應混合溶液pH的減小即可作為OH-參與反應的證據。利用化學數字化實驗可以很方便地實現反應混合溶液pH變化的測定。下面就以Ba（OH）2溶液和NaHCO3溶液的反應為例說明用化學數字化實驗引導學生探究、建構NaHCO3與堿反應的原理的過程。

實驗1：取 1 mL 0.01 mol/L Ba（OH）2溶液放入試管，向其中滴加0.1 mol/L NaHCO3溶液。

在實驗1中，學生可以觀察到產生白色沉淀，并能推出白色沉淀是BaCO3。但學生疑惑：NaHCO3溶液中并沒有CO2-3，BaCO3是如何產生的？

接下來設計化學數字化實驗來為學生解惑。

測NaHCO3與 Ba（OH）2反應時溶液pH變化的數字化實驗裝置如圖1所示：

實驗2：利用圖1裝置，在攪拌的情況下，向100 mL 0.01 mol/L Ba（OH）2溶液中加入10 mL 0.1 mol/L NaHCO3溶液，用威尼爾pH傳感器監測反應過程中溶液pH的變化。待溶液pH保持不變后，停止攪拌，等上層溶液澄清之后，向溶液中再加入10 mL 0.1mol/LNaHCO3溶液，繼續用威尼爾pH傳感器監測反應過程中溶液pH的變化。

實驗3：利用圖1裝置，向100 mL 0.01 mol/L Ba（OH）2溶液中分兩次分別加入10 mL蒸餾水，用威尼爾pH傳感器監測稀釋過程中溶液pH的變化。

從圖3 pH變化曲線可知，100 mL 0.01mol/L Ba（OH）2溶液中加入20 mL蒸餾水，溶液的pH基本不變，說明向100 mL 0.01 mol/L Ba（OH）2溶液中加入20 mL 0.1 mol/L NaHCO3溶液，由于稀釋作用對溶液pH的影響可以忽略不計。則圖2 曲線中兩次pH減小，均是由OH-參與反應造成的。結合NaHCO3電離成Na+和HCO-3知， OH-是與HCO-3反應，再結合產生BaCO3這一反應事實可確定OH-與HCO-3反應的產物是CO2-3和H2O。這樣，即可順其自然地歸納出NaHCO3與Ba（OH）2反應的原理：HCO-3與OH-反應生成CO2-3和H2O，CO2-3再與Ba2+結合成BaCO3。再結合離子代表一類物質的觀點，即可推導出碳酸氫鹽與堿反應的模式為：HCO-3先與OH-反應生成CO2-3和H2O，CO2-3再與陽離子結合成碳酸鹽，結合時優先考慮形成難溶性碳酸鹽。

在得出NaHCO3與Ba（OH）2反應的原理之后，可結合pH變化曲線繼續引導學生分析出第二次加入NaHCO3溶液反應混合溶液的pH繼續減小的原因是第一次加入與Ba（OH）2等物質的量的NaHCO3時，由于HCO-3的物質的量只有OH-的一半，OH-沒有反應完，第二次加入NaHCO3后，OH-繼續被HCO-3消耗。引導學生定量地分析NaHCO3與Ba（OH）2的反應，從而把握NaHCO3與多元堿反應中存在量的關系的本質。

《普通高中課程標準》（2017版）強調培養和發展學生的化學學科核心素養是教師教學的出發點和落腳點。宏觀辨識和微觀探析是化學學科核心素養之一，而進行微觀探析往往是教師進行教學的難點和學生進行學習的難點，這需要宏觀的實驗現象、直觀的數據作為證據支撐。而直觀、方便正是化學數字化實驗的優點，隨著化學數字化實驗的普及，以化學數字化實驗為基礎進行實驗探究教學和引導學生結合化學數字化實驗提供的數據（曲線）進行微觀探析活動將成為常態。

參考文獻：

[1]周艷芳.數字化探究實驗在中學化學教學中的應用探析[J].課程教材教學研究（中教研究），2013（z4）：4849.

[2]張斌玉.數字化實驗與中學化學教學融合的實踐研究[D].合肥師范學院，2016.