利用數字化實驗鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液

湖北省武昌實驗中學(430061) 唐 蘇

1 實驗背景及意義

碳酸鈉和碳酸氫鈉作為鈉的重要化合物，其性質研究是中學化學教學的重點。“對比法”是學習這一內容最常用的方法，人教版必修1課本主要介紹了二者的堿性不同、固體的熱穩定性以及溶液和鹽酸反應的現象不同。Na2CO3和NaHCO3溶液都是無色澄清的溶液，在對其進行鑒別時，一些中學教師和輔導資料認為：可以用CaCl2溶液鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液，理由是根據復分解反應的條件簡單地認為CaCl2溶液與Na2CO3溶液混合生成CaCO3白色沉淀，而NaHCO3則不能。但是通過實驗會發現，在Na2CO3和NaHCO3溶液中加CaCl2溶液均能產生白色沉淀，通過對其產生白色沉淀的理論分析，二者雖然都能產生白色沉淀，但是產生的過程會有所差異，因此可以采用數字化實驗儀器對反應過程進行即時記錄。

在一次作業中遇到這樣一道題：將碳酸氫鈉溶液加熱，發現有能使澄清石灰水變渾濁的氣體生成，學生在課下提出疑問：“以前上課講的是碳酸氫鈉固體受熱會產CO2，難道碳酸氫鈉溶液也會分解嗎？”為了解決學生的困惑，筆者采用數字化實驗儀器設計了此實驗。

傳統的使用鹽酸鑒定碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液的方法無法定量地反映整體變化過程，不利于學生理解水解平衡、電離平衡和滴定突躍等問題。因此，本研究利用數字化實驗儀器分別測定鹽酸滴定碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液過程中的pH變化曲線。

學生通過本節課的實驗探究，能夠進一步鞏固其對化學反應原理等相關知識的掌握，形成完整的認知結構。將數字化實驗應用于日常教學是一種嶄新的教學模式，學生對這種實驗模式充滿了新鮮感，而學生的自主操作、小組討論實驗結果更是讓他們的參與意識、合作精神、實驗操作、分析能力都得到了極大的發揮。同時，學生通過簡單的數據處理和分析，完成實驗現象由定性到定量的轉變，能夠更集中于對數據背后隱藏的科學規律的探究，促進學生對化學研究方法的理解和定量研究能力的提升，從而有利于培養學生的科學素養。

2 實驗原理及設計

2.1 利用CaCl2溶液鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液

(1)反應方程式

Na2CO3+ CaCl2=2 NaCl + CaCO3↓

2 NaHCO3+ CaCl2=2 NaCl + CaCO3↓ + H2O + CO2↑

(2)實驗原理

當加入的碳酸鈉、碳酸氫鈉以及氯化鈣的量相同時，產生的沉淀量不同，同時HCO3-電離產生CO32-，與Ca2+反應生成沉淀，從而促進其電離，因此碳酸氫鈉與氯化鈣反應生成沉淀的過程應該是持續進行的，產生的沉淀量也應該是持續增加的。據此可采用色度計和濁度計對其產生的沉淀量進行測定，從而鑒別出碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液。

(3)色度計原理

色度傳感器用于測量溶液的透光率，相當于一臺簡易的分光光度計。通過濾光片發出一定波長的平行光，當一束平行光通過比色皿中均勻的溶液介質時，光的一部分被吸收(It)，一部分被透過(Io)。通過比對透射光強度與發射光強度，即可得到透光度T(T=It/Io)。根據朗伯比爾定律，溶液的吸光度(A)與吸光物質的濃度(c)和吸收層厚度(b)的乘積成正比，且等于透光率倒數的對數：吸光度A=lg(1/T)=Kcb(K為比例常數)。

本實驗中隨著反應的進行，生成的沉淀越多，吸收光越多，透射光越弱，色度計測出的色度值越低。

(4)濁度傳感器原理

濁度傳感器是用于測量液體的渾濁度或化學反應過程中生成的沉淀量，即液體中懸浮物的多少。一束平行光在透明液體中傳播，如果液體中無任何懸浮顆粒存在，那么光束在直線傳播時不會改變方向；若有懸浮顆粒，光束在遇到顆粒時就會改變方向(不管顆粒透明與否)。這就形成所謂散射光。顆粒愈多(濁度愈高)光的散射就愈嚴重。濁度計發出光線，使之穿過一段樣品，并從與入射光呈90°的方向上檢測有多少光被水中的顆粒物所散射。

在本實驗中，隨著反應的進行，當生成碳酸鈣的量不斷增加時，顆粒對光的散射增強，溶液的濁度值越大。

2.2 利用加熱鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液

(1)反應方程式

(2)實驗原理

NaHCO3溶液在加熱過程中會產生CO2，而Na2CO3溶液不能，分別將其加熱，通過測裝置中CO2的含量變化，從而鑒別出碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液。

(3)二氧化碳傳感器原理

二氧化碳傳感器用于測量氣體中二氧化碳含量，采用“泵動循環式”構造，傳感器前段有進氣管和出氣管，可使被測氣體循環進入敏感器件，本傳感器通過紅外線吸收法，從而測出二氧化碳含量。

(4)溫度傳感器原理

溫度傳感器與溫度計類似，其溫度敏感元件位于傳感器金屬探針的頂端，使用時需被測物體與此處充分接觸。

2.3 利用鹽酸滴定Na2CO3和NaHCO3溶液

(1)反應方程式

Na2CO3+ HCl=NaHCO3+ NaCl

NaHCO3+ HCl=NaCl + H2O + CO2↑

(2)實驗原理

Na2CO3溶液與HCl的反應過程分為兩個階段：

Na2CO3+ HCl=NaHCO3+ NaCl

NaHCO3+ HCl=NaCl + H2O + CO2↑

NaHCO3溶液與HCl 的反應過程：

NaHCO3+ HCl=NaCl + H2O + CO2↑

(3)光電門傳感器原理

光電門是由1個發光元件和1個接收元件組成的傳感器，當二者之間沒有物體阻擋時，接收元件受光照射，輸出1個低電平，若二者之間有物體阻擋時，接收元件不受光照射，輸出1個高電平，因此可通過光電門測量滴下的液體滴數。

(4)pH傳感器原理

pH傳感器是用來檢測被測物中氫離子濃度并轉換成相應的可輸出信號的傳感器，通常由化學部分和信號傳輸部分構成。本實驗中使用pH傳感器即時記錄溶液中的pH值。

3 實驗過程

3.1 儀器與藥品

朗威DISLab 8.0數據采集器、計算機、色度傳感器、濁度傳感器、pH傳感器、CO2傳感器、溫度傳感器、光電門傳感器、磁力攪拌器、濾紙、100 mL蒸餾燒瓶、干燥管(CaCl2)、導管、酒精燈、石棉網、沸石、小燒杯、磁子、針筒、比色皿、試管、量筒；酚酞試液、蒸餾水、0.1 mol/L Na2CO3溶液、1.0 mol/L Na2CO3溶液、0.1 mol/L NaHCO3溶液、1.0 mol/L NaHCO3溶液、1.0 mol/L CaCl2溶液、1.0 mol/L 鹽酸。

3.2 實驗步驟

3.2.1 利用CaCl2溶液鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液

3.2.1.1 濁度計

(1)連接好濁度計和數據采集器如圖1所示，打開數據采集軟件；

圖1 濁度計實驗裝置

(2)取5 mL 0.1 mol/L Na2CO3溶液于試管中，加入1 mL 1 mol/L的CaCl2溶液，振蕩后立即倒入比色皿中，將比色皿放入濁度計中，點擊軟件開始記錄數據和圖像；

(3)待曲線不再發生變化時，保存數據和圖像；

(4)將Na2CO3溶液換成5 mL 0.1 mol/L NaHCO3溶液，重復(2)～(3)操作。

3.2.1.2 色度計

(1)連接好色度計和數據采集器，如圖2所示，打開數據采集軟件；

圖2 色度計實驗裝置

(2)取5 mL 0.1 mol/L Na2CO3溶液于試管中，加入1 mL 1 mol/L的CaCl2溶液，振蕩后立即倒入比色皿中，將比色皿放入色度計中，點擊軟件開始記錄數據和圖像；

(3)待曲線不再發生變化時，保存數據和圖像；

(4)將Na2CO3溶液換成5 mL 0.1 mol/L NaHCO3溶液，重復(2)～(3)操作。

3.2.2 利用加熱鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液

(1)連接好二氧化碳傳感器、溫度傳感器和數據采集器，如圖3所示，打開數據采集軟件；

圖3 加熱法實驗裝置

(2)取50 mL 1.0 mol/L Na2CO3溶液于蒸餾燒瓶中，點擊軟件開始記錄數據和圖像，用酒精燈加熱；

(3)待曲線不再發生變化時，保存數據和圖像；

(4)將Na2CO3溶液換成50 mL 1.0 mol/L NaHCO3溶液，重復(2)～(3)操作。

3.2.3 利用鹽酸滴定鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液

(1)連接好pH傳感器、光電門和數據采集器，如圖4所示，打開數據采集軟件；

圖4 滴定法實驗裝置

(2)在針筒中倒入適量1 mol/L的鹽酸；

(3)對光電門的滴數進行校準，設置好圖像坐標以及記錄數據的表格格式；

(4)量取10 mL 1.0 mol/L Na2CO3溶液于小燒杯中，加入磁子，放在磁力攪拌器上，打開磁力攪拌器，小心地將洗凈的pH傳感器放入小燒杯中(若溶液不能將pH傳感器浸沒，可加適量的蒸餾水)；

(5)點擊軟件開始記錄數據，再打開針筒下端的活塞，開始實驗；

(6)待滴定結束后，保存數據和圖像；

(7)將Na2CO3溶液換成10 mL 1.0 mol/L NaHCO3溶液，重復(2)～(6)操作。

4 實驗數據分析

4.1 利用CaCl2溶液鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液

圖5 實驗圖像濁度計

圖6 色度計實驗圖像

4.2 利用加熱鑒別Na2CO3和NaHCO3溶液

將二氧化碳傳感器和溫度傳感器得到的數據繪制成圖像，得到圖7。從圖中可以明顯看出，在相同的裝置中加熱同濃度、同體積的Na2CO3和NaHCO3溶液，Na2CO3溶液未發生分解，CO2的含量幾乎保持不變。而NaHCO3溶液在50 ℃時即發生分解，體系中CO2的含量明顯增加。因此，在查閱碳酸氫鈉的溶解度表時，幾乎沒有60 ℃以上的數據。同時可測得Na2CO3溶液的沸點約為102 ℃，NaHCO3溶液的沸點約為101 ℃。加熱NaHCO3溶液時，觀察蒸餾燒瓶可看到在50 ℃左右時，燒瓶內壁有氣泡產生，且蒸餾燒瓶內壁有白色固體析出，而加熱Na2CO3溶液時未觀察到此現象，可說明NaHCO3的溶解度比Na2CO3小。

圖7 二氧化碳傳感器實驗圖像

4.3 利用鹽酸滴定Na2CO3和NaHCO3溶液

鹽酸滴定NaHCO3溶液的部分數據見表1，鹽酸滴定Na2CO3溶液的部分數據見表2。將所得數據作圖，得到圖8。從圖中可看到Na2CO3溶液在A、B兩點有2個明顯的突躍，NaHCO3溶液只在C點有一個明顯的突躍。由圖可以看出，0.1 mol/L的Na2CO3溶液有較強的堿性，數據采集器顯示為pH=11.2，溶液為紅色；逐滴滴入鹽酸后，pH稍有下降，此時溶液中沒有氣泡產生，當pH約為8.0時，溶液已基本褪為無色；此時隨著鹽酸的不斷滴入，可看到溶液中有氣泡產生。從圖中可看到第一次突躍pH約為8.0，此時的溶液為NaHCO3和H2CO3的混合液，第二次突躍pH約為4.0，此時的溶液為NaCO和H2CO3的混合液。0.1 mol/L的HaHCO3溶液堿性較弱，數據采集器顯示pH=8.57，和理論計算值8.34相差不多，溶液紅色較淺；剛開始加入鹽酸時，可看到溶液中沒有氣泡產生，且pH值幾乎不變，此時由于生成的CO2溶于溶液中，形成了緩沖溶液，隨后可看到有氣泡產生，pH開始下降，溶液逐漸褪色，在pH約為4.0時出現了突變，與Na2CO3溶液的第二次突躍重疊。

表1 鹽酸滴定碳酸氫鈉溶液數據

表2 鹽酸滴定碳酸鈉溶液數據

圖8 pH傳感器實驗圖像

5 結論

通過本次實驗，我們可以利用以下方法來鑒別碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液：①溶液加氯化鈣溶液，觀察是否有氣泡生成，以及產生沉淀的量；②加熱，觀察溶液中是否有氣泡生成(未沸騰)；③同濃度測pH，碳酸鈉的pH大于碳酸氫鈉；④滴加鹽酸繪制滴定曲線，碳酸鈉溶液有2個突躍，碳酸氫鈉溶液僅1個突躍。

6 教學反思

課堂上學生在實驗前并不知道所給的溶液到底是什么，通過分組實驗操作，小組討論實驗數據并對結果進行分析從而鑒別出碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液，實現了學生作為教學的主體，教師作為導向的課堂教學。在用鹽酸滴定碳酸氫鈉溶液時，這一組的學生提出筆者預先沒有注意到的問題：“為什么在前20滴時，溶液的pH沒有變化？”這個問題引發了大家激烈地討論，最后由另外一組的學生得到了結論。通過滴定實驗學生們已經認識到在用鹽酸滴碳酸鈉溶液時不能使用酚酞做指示劑，從而又引出了雙指示劑法。在課堂上筆者還提出了一個問題：“如果使用本次實驗所加入的量，那么碳酸氫鈉溶液的濃度需要達到多少才能出現沉淀？”由于課堂時間有限，筆者讓有興趣的學生課下計算，在實驗報告中有學生通過計算得出了結果。

化學科學素養由化學基本知識和技能、化學科學能力、化學科學品質組成。本次的實驗，并不是所有小組都完全操作正確，但是各小組在進行展示時，都談到了自己操作時出現的問題，并對這些問題可能造成的誤差或錯誤進行了分析，這也正是筆者希望學生通過本節課能夠學到的東西，即失敗并不可怕，及時的分析與糾正才是最重要的。希望通過本次的探究實驗，讓學生體會到化學是一門以實驗為基礎的科學。學生在這節課上不僅學會了如何鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液，同時還學會了如何通過分析實驗數據和現象得出結論，將所學習的理論知識運用于實際問題的解答。更重要的是，即使在實驗過程中出現了失誤或者是失敗，也能夠分析出原因找到改進的方法。

課后很多學生對傳感器表現出了很大的興趣，對于這節課還能使用哪些傳感器提出了自己的想法，希望在以后的教學中學生能夠自主完成探究實驗設計，實現真正意義上的實驗探究，并將這種探究精神以及分析問題、解決問題的能力應用于生活學習中。