讓學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)活動(dòng)掌握物質(zhì)鑒別方法

殷菊香 李勝榮

摘要：選擇碳酸鈉和碳酸氫鈉鑒別實(shí)驗(yàn)作為教學(xué)探索題材。讓學(xué)生在比較碳酸鈉和碳酸氫鈉性質(zhì)和組成基礎(chǔ)上確定鑒別依據(jù)，注重可靠性并理解鑒別原理;要求學(xué)生設(shè)計(jì)盡可能多的可行性鑒別方案，激發(fā)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新熱情和能力;引導(dǎo)學(xué)生注重現(xiàn)象的鮮明性，選擇效果較好的鑒別方案;引導(dǎo)學(xué)生注重操作的便捷性和可靠性，改進(jìn)和完善鑒別方案;要求學(xué)生完整地表述鑒別方案，明確選擇規(guī)則。對(duì)3個(gè)有鑒別功能的實(shí)驗(yàn)做詳盡討論，分析優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鑒別實(shí)驗(yàn);碳酸鈉和碳酸氫鈉;學(xué)生課堂活動(dòng);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

物質(zhì)鑒別是中學(xué)化學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。可是一些學(xué)生往往死記硬背鑒別方法，不注重弄清鑒別原理和鑒別方案選擇規(guī)則，學(xué)習(xí)效果難以達(dá)到預(yù)期水平，更難以舉一反三實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)遷移。為改變這種狀況，我們選擇“碳酸鈉和碳酸氫鈉的鑒別”[1]作為教學(xué)素材，嘗試讓學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)活動(dòng)掌握物質(zhì)鑒別方法，取得了令人滿意的教學(xué)效果。

為什么選擇碳酸鈉和碳酸氫鈉鑒別實(shí)驗(yàn)作為素材？我們的考慮是：碳酸鈉和碳酸氫鈉的組成和性質(zhì)比較相似，又有多種性質(zhì)差異，但尚缺乏簡(jiǎn)單高效的鑒別方法;有關(guān)的參考文獻(xiàn)較少，因而有較強(qiáng)的探究性，其難度比較適合于高中學(xué)生，有利于他們明確和掌握鑒別的原理和規(guī)則。

1 教學(xué)思路和具體做法

1.1 在比較碳酸鈉和碳酸氫鈉性質(zhì)和組成基礎(chǔ)上確定鑒別依據(jù)，注重可靠性并理解鑒別原理

由于碳酸鈉和碳酸氫鈉的組成和性質(zhì)比較相似，不少學(xué)生對(duì)它們的鑒別感到困惑。此時(shí)可以提示學(xué)生：除直接利用它們不同的性質(zhì)進(jìn)行鑒別之外，還可以通過(guò)它們?cè)谙嗤瑮l件下轉(zhuǎn)化成不同的物質(zhì)來(lái)進(jìn)行鑒別。經(jīng)過(guò)啟發(fā)之后，多數(shù)學(xué)生能夠想到一些方案，例如：鈣離子、鋇離子可以使碳酸鈉和碳酸氫鈉分別轉(zhuǎn)化成溶解度不同的碳酸鹽和碳酸氫鹽。HCO -3在溶液中存在電離平衡和水解平衡（以水解為主，電離為次，溶液呈堿性）：

1.2 要求學(xué)生設(shè)計(jì)盡可能多的可行性鑒別方案，激發(fā)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新熱情和能力

在部分學(xué)生對(duì)這個(gè)要求感到困難時(shí)，教師可提示：此前大家通常關(guān)注被鑒別物質(zhì)的不同性質(zhì)，現(xiàn)在，由于碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)大致相似（如溶解性、堿性等），在鑒別它們時(shí)，還要關(guān)注它們性質(zhì)的差異性。經(jīng)過(guò)啟發(fā)，學(xué)生不難想到一些鑒別思路，例如：

利用溶解性差異鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉;

利用溶液堿性強(qiáng)弱鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉;

利用與鹽酸反應(yīng)的快慢鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉;

利用熱穩(wěn)定性大小鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉;

利用與CaCl2溶液或BaCl2溶液的反應(yīng)現(xiàn)象不同鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉;

利用與CO2氣體反應(yīng)現(xiàn)象的不同鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉，等等。

1.3 引導(dǎo)學(xué)生注重現(xiàn)象的鮮明性，選擇效果較好的鑒別方案

例如，利用溶解性差異（見表1）鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉時(shí)，由于20℃以下碳酸根離子會(huì)水合、40℃以上水合碳酸根離子會(huì)失水;在30℃左右，碳酸鈉溶解度可達(dá)到碳酸氫鈉溶解度的4倍左右，在這個(gè)溫度下用溶解度鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉時(shí)的現(xiàn)象最為明顯。據(jù)此可以具體設(shè)計(jì)利用溶解性差異鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉的最佳方案。

1.4 引導(dǎo)學(xué)生注重操作的便捷性和可靠性，改進(jìn)和完善鑒別方案

例如，利用溶液堿性強(qiáng)弱鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉。由表2數(shù)據(jù)可見，常溫下0.1mol·L-1碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液的pH相差較大，可以便捷地利用溶液堿性的不同鑒別它們。但是，若用pH試紙測(cè)量溶液堿性，較難區(qū)分碳酸鈉和碳酸氫鈉;若改用pH計(jì)或者手持?jǐn)?shù)字化信息采集技術(shù)，則可以獲得比較清晰的結(jié)果。

實(shí)際上，利用溶解性差異鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉的鑒別方案具有試劑用量較大、操作較復(fù)雜、“靈敏度”較低、不易觀察等缺點(diǎn);利用溶液堿性強(qiáng)弱鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉的鑒別方案需要事先配制準(zhǔn)確濃度的試劑，跟真實(shí)的未知物鑒別情境有一定差距，同時(shí)須使用精確的數(shù)字化測(cè)量?jī)x器才比較可靠。因此，這兩種方案還需要不斷改進(jìn)和完善。

1.5 要求學(xué)生完整地表述鑒別方案，明確選擇規(guī)則

完整、恰當(dāng)?shù)乇硎鲨b別方案，有利于使學(xué)生的思路更清晰，印象更深刻。不斷小結(jié)和完善鑒別方案，以及明確選擇規(guī)則，有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。

選擇鑒別方案的原則主要是：依據(jù)合理;現(xiàn)象鮮明;結(jié)果準(zhǔn)確;裝置簡(jiǎn)單;操作簡(jiǎn)便;有利于理論聯(lián)系實(shí)際;安全綠色等。

2 對(duì)幾個(gè)鑒別實(shí)驗(yàn)的討論

在有關(guān)文獻(xiàn)中，有一些鑒別方案需要采用比較復(fù)雜的儀器或裝置，例如：

（1） 根據(jù)熱穩(wěn)定性大小鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉的自制專用儀器“長(zhǎng)柄雙聯(lián)V形玻管”[4]。

鑒別原理：碳酸氫鈉受熱時(shí)可分解，使固態(tài)物質(zhì)質(zhì)量變小;生成的二氧化碳和水能使藍(lán)色石蕊試紙變色。

裝置說(shuō)明：圖1是根據(jù)熱穩(wěn)定性大小鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉的自制專用儀器“長(zhǎng)柄雙聯(lián)V形玻管”[5]，可以截取1根外徑約10mm、長(zhǎng)短合適的硬質(zhì)玻璃管，在酒精噴燈上彎制而成。

在長(zhǎng)柄雙聯(lián)V形玻管的V形底部分別裝入粒度相近的1.5克碳酸鈉固體和1.5克碳酸氫鈉固體，把干燥的藍(lán)色石蕊試紙揉皺塞在兩邊導(dǎo)管口（不要滑到V形管底部與固體接觸），長(zhǎng)柄的中心位置系一根粗細(xì)合適的棉線，將長(zhǎng)柄Ⅴ形玻管懸掛成水平狀態(tài)（見圖2）。

操作過(guò)程：①先用酒精燈加熱盛有碳酸鈉的V形管部分（加熱時(shí)間60秒左右），此時(shí)玻璃管會(huì)有輕微的晃動(dòng)（熱氣流擾動(dòng)造成），但玻璃管的長(zhǎng)柄仍處于水平狀態(tài)，而且干燥的藍(lán)色石蕊試紙不變色。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明碳酸鈉受熱后質(zhì)量不變，即碳酸鈉受熱不易分解。②再加熱盛有碳酸氫鈉的Ⅴ形管部分。不到50秒就可以看到盛有碳酸氫鈉的V形玻璃管明顯上升，而且干燥的藍(lán)色石蕊試紙部分變成淺紅色。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明，碳酸氫鈉受熱后質(zhì)量明顯減少，即碳酸氫鈉受熱易分解，并且產(chǎn)生了酸性氣體。

該組實(shí)驗(yàn)操作不算太復(fù)雜，用時(shí)較短，有趣味性、微型化等特點(diǎn);實(shí)驗(yàn)中可以觀察到先加熱時(shí)裝置不傾斜、后加熱時(shí)裝置傾斜等現(xiàn)象。該裝置像天平一樣，能讓學(xué)生直觀地感受到反應(yīng)過(guò)程中固體質(zhì)量的變化。但試劑用量略大，靈敏度不易控制，操作有一定難度。

（2） 用與鹽酸反應(yīng)的快慢鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉的自制專用裝置（見圖3）。

鑒別原理：等質(zhì)量的兩種固體與鹽酸反應(yīng)時(shí)，NaHCO3反應(yīng)快，消耗的鹽酸少，產(chǎn)生的CO2多。

裝置說(shuō)明：圖3中1、2是用25mL規(guī)格堿式滴定管代替的量氣管，通過(guò)氣體壓上來(lái)的液體的量來(lái)測(cè)量產(chǎn)生的氣體體積;3、4是針筒，用于定量注入稀鹽酸;5、6是具支試管，事先分別加入等體積等濃度的Na2CO3溶液和NaHCO3溶液;7中裝有滴加酚酞的飽和NaHCO3溶液，因?yàn)槿芤撼蕢A性而顯紅色，當(dāng)產(chǎn)生的氣體將紅色水溶液壓入量氣管，能清晰地看到紅色液柱上升的位置，即指示反應(yīng)產(chǎn)生氣體的量;8，9均為用橡膠制成的固定圈。

操作步驟：①如圖所示安裝好儀器。②分別向試管中加入3mL 0.3mol·L-1 Na2CO3溶液和3mL 0.3mol·L-1 NaHCO3溶液。分別用兩個(gè)注射器吸取6mL 0.3mol·L-1的稀鹽酸，把注射器連接到具支試管上面，塞緊橡皮塞。③分別請(qǐng)兩位學(xué)生以相同速度分三次壓入相同量的鹽酸：先加2mL，觀察兩邊水柱的變化。反應(yīng)結(jié)束時(shí)，發(fā)現(xiàn)一邊水柱上升，一邊不升。然后再同時(shí)加入2mL鹽酸，引導(dǎo)學(xué)生觀察兩邊液柱的變化快慢。第三次再同時(shí)加入2mL鹽酸，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)結(jié)束時(shí)兩邊液面上升高度大致相同。

（3） 利用與CO2氣體反應(yīng)現(xiàn)象的不同鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉的自制專用裝置（見圖4）。

鑒別原理：同溫下碳酸鈉的溶解度大于碳酸氫鈉，從理論上講，將CO2氣體通入飽和碳酸鈉溶液中，應(yīng)比較容易析出碳酸氫鈉晶體：Na2CO3+CO2+H2O2NaHCO3;CO2氣體與飽和碳酸氫鈉溶液不反應(yīng)，所以可以根據(jù)將CO2氣體分別通入飽和Na2CO3溶液和飽和NaHCO3時(shí)是否析出晶體來(lái)鑒別兩溶液。但是，在向飽和Na2CO3溶液中通入CO2氣體時(shí)常常很難看到晶體析出，原因是CO2氣體在水中的溶解度較小，通入的CO2氣體只有很少一部分能與碳酸鈉溶液反應(yīng)，絕大多數(shù)CO2氣體散逸到空氣中。由于長(zhǎng)時(shí)間看不到晶體析出容易使人產(chǎn)生誤解，作出錯(cuò)誤判斷。

操作步驟：將塊狀的石灰石敲碎;滴入濃度較大的鹽酸;通過(guò)洗氣裝置B、 C將CO2氣體中混有的HCl氣體和水蒸氣除盡;導(dǎo)管出口使用多孔球泡;CO2氣體通入時(shí)間要足夠長(zhǎng)，使生成的碳酸氫鈉足夠多。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生成的碳酸氫鈉越來(lái)越多，碳酸氫鈉在水中先達(dá)到飽和，再生成的碳酸氫鈉以“沉淀”的形式析出。

將CO2氣體連續(xù)通入飽和碳酸鈉溶液中約8分鐘，發(fā)現(xiàn)溶液開始渾濁;約12分鐘，可發(fā)現(xiàn)有較多白色細(xì)小晶體析出;約15分鐘后有大量白色晶體析出。

成功關(guān)鍵：①碳酸鈉溶液要飽和;②CO2氣體要過(guò)量。

這3個(gè)鑒別方案中，除了方案（1）之外，另外兩個(gè)的裝置和操作都比較復(fù)雜，且實(shí)驗(yàn)用時(shí)過(guò)長(zhǎng)，不適宜作為鑒別方案，也不適合課堂演示采用。必要時(shí)，可以事先在實(shí)驗(yàn)室拍成視頻，然后在課堂上播放。

參考文獻(xiàn)：

[1][2]北京師范大學(xué)化學(xué)系無(wú)機(jī)化學(xué)教研室編. 簡(jiǎn)明化學(xué)手冊(cè)[M]. 北京：北京出版社，1980：182.

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[4][5]陳立銘，李德前. 利用長(zhǎng)柄V型玻璃管比較碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性[J]. 化學(xué)教育，2014，（21）：56～57.