巧借鄉土素材 助推實驗創新 提升學科素養

史培艷

摘要：為探究碳酸鈉、碳酸氫鈉與酸反應的劇烈程度的本質，引導鄉村學生巧借鄉土素材，利用實驗室儀器紐裝實驗裝置進行實驗探究;通過文獻查閱，實驗創新，融合布倫斯特酸堿理論、堿平衡常數、路易斯酸堿理論、路易斯堿結構等分析CO3-、HC03與H+結合能力的證據。宏觀實驗、微觀分析、證據推理等相結合，得出碳酸氫鈉與酸反應產生氣泡劇烈程度強于碳酸鈉，碳酸氫鈉與質子結合能力弱于碳酸鈉。

關鍵詞：鄉土素材;實驗創新;化學學科核心素養;碳酸鈉;碳酸氫鈉

文章編號：1008-0546（ 2020）08-0082-05

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.023

化學實驗是化學教學重要手段，是課堂探究主要活動，是開展“素養為本”教學最有效的形式。教師通過引導學生創新實驗，能激發學生學習化學興趣，培養學生觀察、質疑、思考、分析、比較、抽象、概括等思維能力，促進學生學習方式改變，進一步提升學生化學學科核心素養。

一、問題的提出

1.教材中實驗

《碳酸鈉的性質與應用》是蘇教版《化學1》中專題2第二單元重點內容之一，其中碳酸鈉、碳酸氫鈉性質比較是本節課重點。如圖1裝置，將滴管中的濃鹽酸加入瓶中，觀察實驗現象。教材中Na2C03、NaHC03與酸反應對比的觀點是“都放出C02氣體，但NaHC03與酸反應的劇烈程度強于Na2C03”[1]。

存在問題是使用濃鹽酸與未知濃度的碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液反應，可能會出現反應劇烈程度相似的現象，導致無法進行性質比較。

2.學生的疑惑

《普通高中化學課程標準（2017年版）》要求對碳酸鈉與碳酸氫鈉的性質進行比較學習[2]。在比較學習過程中，有的學生疑惑：“同濃度Na2C03溶液的pH大于NaHCO3溶液的pH，說明Na2CO3與水電離的H+結合能力強于NaHCO3，Na2CO3、NaHCO3與酸反應實質是C03-、HCO3與酸電離出的H+反應，則CO2-與H+反應快，即Na2CO3與酸反應的劇烈程度強于NaHCO3，只是微觀上反應快肉眼看不到而已”。Na2CO3、NaHCO3與酸反應的劇烈程度具體是指什么？

3.研究的現狀

通過文獻查閱，了解到很多一線教師對碳酸鈉、碳酸氫鈉與酸反應進行實驗探索，對實驗裝置進行改進，改進的主要幾種類型裝置及實驗結論見表l。

4.本文的目的

自從波意耳提出現代化學，多數化學家認為“化學是一門以實驗為基礎的科學”。著名的化學教育家戴安邦先生也說過：“化學實驗教學是實施全面的化學教育的一種最有效的教學形式。”然而，量子化學的發展將化學帶入新時代，中科院上海有機所退休研究員、博導陳敏伯說：“化學不再是純實驗化學。”[15]通過本實驗創新、理論搜集、數據分析，讓學生了解化學是“實驗、理論、計算”于一身的科學。

鄉村中學沒有先進的傳感器，更沒有能體現粒子之間反應的設備。為了反映碳酸鈉、碳酸氫鈉與酸反應情況及反應本質，本研究目的是（1）利用實驗室的儀器、藥品和鄉土素材進行實驗創新，在實驗過程中，學生仔細觀察并描述實驗現象，總結實驗結論;（2）搜集相關數據、理論、微觀結構等證據，分析碳酸鈉、碳酸氫鈉與酸反應本質，從宏觀和微觀角度準確描述反應的劇烈程度是指什么;（3）通過宏觀實驗、微觀分析、證據推理等，提升學生化學學科核心素養，見圖2。

二、實驗創新

1.實驗儀器及藥品

軟塑料藥瓶、注射器、輸液管、輸液用開關、紗布、用完的圓珠筆芯、鐵架臺、表面皿。

0.2mol/L碳酸鈉溶液、0.2mol/L碳酸氫鈉溶液、1.0mol/L檸檬酸溶液、飽和碳酸鈉溶液、飽和碳酸氫鈉溶液、酚酞、溴百里香酚藍、502膠水。

2.實驗裝置

改進后的實驗裝置（圖3）：用軟塑料藥瓶作反應器，用部分輸液管和圓珠筆芯做導管，導管上套醫用開關。導管有長短兩種，長導管伸入塑料藥瓶中，下端靠近塑料瓶底部，滴加檸檬酸溶液用;短導管剛伸人塑料瓶口，導氣用;導管另一端連接注射器。將裝置固定在鐵架臺上。

3.實驗操作及現象

（1）加料：向塑料藥瓶中加入約60.0mL 0.2mol/L碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液，滴加2滴酚酞（酚酞變色pH范圍：←無色=8.2-粉紅-10.0-紅色→）。碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液分別呈玫瑰紅、粉色。內側注射器分別取約30.0mL 1.0mol/L檸檬酸溶液，并使長導管充滿檸檬酸，趕走長導管中空氣，此時注射器中液面刻度值約為29.5mL。

（2）趕氣：關上連接裝有鹽酸注射器導管上的開關，打開連接用于收集氣體注射器導管上的開關，擠壓塑料瓶，趕走空氣，關上開關。塑料瓶未恢復到原來形狀，說明裝置的氣密性很好。

（3）粘布并染布：取下外側2支用于收集氣體的注射器的活塞，在活塞分別用502膠水粘上等大的白色紗布條。表面皿上加入約2mL飽和碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液，并滴加2滴溴百里香酚藍，溶液分別呈藍紫色、藍色;將活塞上紗布分別浸泡在藍紫色、藍色溶液中。染色后，將活塞和紗布一起塞人注射器中，把活塞推至底部，趕走空氣，連接導管。過程如圖4。

（4）加酸：打開所有開關，同時向反應器中緩慢加入約1.0mol/L檸檬酸（不揮發，制得CO2較純），反應器中粉色消失快，并快速產生氣泡，反應器鼓起，收集氣體的注射器活塞上移，藍色紗布（增大溶液與氣體的接觸面）快速變為綠色后變為黃色;另一反應器中玫瑰紅逐漸變淺至無色，先無氣泡，后產生氣泡，反應器緩慢鼓起，注射器中活塞緩慢上移，上移到頂后又緩慢下移，紗布條由藍紫色先變為藍色，后藍色變為綠色，上邊綠色變黃。如圖5。

（5）紗布變色分析：溴百里香酚藍也稱溴麝香草酚藍，是一種酸堿指示劑，變色pH范圍：←黃色-6.0-綠色- 7.6-藍色→，飽和碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液中滴加溴百里香酚藍分別呈藍紫色和藍色。在生物學中，根據溴百里香酚藍色澤差異顯著，顏色由藍變綠再變黃特點，常用來檢測CO2[16]。外側注射器中活塞上移快慢不同，裝碳酸氫鈉溶液對應外側注射器活塞上移速度快，且藍色紗布變綠到黃變化快;裝碳酸鈉溶液對應外側注射器活塞上移速度慢，且藍紫色紗布變綠慢，過一段時間，因CO2與碳酸鈉溶液反應，內壓減小，活塞又下移一部分。

4.實驗原理及結論

（1）反應器中微觀原理

碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液與檸檬酸反應，實質是碳酸根、碳酸氫根水解產生的OH-優先與檸檬酸電離的H+反應，OH-濃度減小，使平衡不斷向水解方向移動，當OH-消耗完，HCO3與H+反應，生成H2CO3，因H2CO3不穩定發生分解生成CO2。碳酸鈉溶液中OH-濃度大，結合質子需要時間偏長，所以，碳酸鈉溶液中紅色褪色慢，產生氣泡慢。

（2）注射器中微觀原理

碳酸鈉溶液與CO2反應，實質是碳酸根水解產生的OH-優先與碳酸電離的H+反應，OH-濃度減小，使平衡不斷向水解方向移動，HCO3不斷增多，OH-被消耗。HCO3與碳酸不反應，多余的CO2與水反應，CO2+H2O==H2CO3=HCO3+ H+，碳酸電離程度強于碳酸氫跟水解程度，使溶液由原來堿性變為弱酸性。

（3）實驗結論

同濃度、同體積的碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液同時與酸反應，NaHCO3與酸反應產生氣泡劇烈程度強于Na2CO3。CO3-能奪走H2CO3中H+，而HC03不能奪走H2CO3中H+，說明CO3-結合H+能力強于HCO3，即Na2C03結合質子劇烈程度強于NaHCO3。 5.證據推理 根據物質之間轉化事實、堿平衡常數、粒子微觀結構分析，比較Na2CO3、NaHCO3與酸反應的本質特征（表2）。

6.實驗創新之處

（1）形成封閉體系，使用軟塑料藥瓶，便于擠壓，趕走空氣，打破常規排空氣法收集氣體。

（2）使用檸檬酸代替鹽酸，CO2氣體中不會有氯化氫氣體，收集的CO2較純。

（3）根據同時逐次加入檸檬酸，溶液、紗布顏色變化、活塞移動現象，對比性強，便于對比分析宏觀現象差異原因。該實驗裝置實現檸檬酸分別與碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液反應和CO2與碳酸鈉溶液反應的一體化。

（4）根據布倫斯特酸堿理論即質子理論，利用堿常數分析碳酸鈉、碳酸氫鈉接受質子能力;根據路易斯酸堿理論，利用路易斯結構分析，碳酸鈉、碳酸氫鈉給予電子對的數量有差異，CO3-路易斯結構中孤電子對數比HCO3中多一對，CO3-比HCO3更易接受質子。利用證據分析、推理，通過結構模型解釋反應本質，培養學生證據推理與模型認知素養。

（5）根據宏觀辨識和微觀探析，得出碳酸氫鈉與酸反應產生氣泡劇烈程度強于碳酸鈉，但碳酸鈉接受質子劇烈程度強于碳酸氫鈉。

三、實驗反思

從生活中學習化學，引導學生把生活知識和理論知識融合進行實驗創新，巧借鄉土素材，助推實驗創新對比分析。學生在真實實驗情境中親身體驗學習過程，宏觀上理解物質性質差異，微觀上掌握了微粒變化的本質。文獻與實驗結合，進行深度分析，促進學生學習方式轉變，實現深度學習，提升學生化學學科核心素養。

參考文獻

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