碳酸鈉及碳酸氫鈉性質實驗裝置改進與教學實踐

陳秀娟 洪清娟

摘要：?以蘇教版“碳酸鈉與碳酸氫鈉”為例，對不同版本新教材中碳酸鈉、碳酸氫鈉性質實驗進行比較，查閱該性質實驗的相關文獻進行分析，深入理解實驗教學功能，對碳酸鈉、碳酸氫鈉性質實驗的相關試劑進行優化選擇，設計實用性較強、更易推廣的微型裝置，適宜開展分組實驗，使每個學生都有機會參與任務型的探究活動。

關鍵詞：?碳酸鈉;?碳酸氫鈉;?實驗裝置改進;?實驗教學功能

文章編號：?1005-6629（2021）09-0062-05

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

實驗教學是培育學生獲知明理、求實立德的重要途徑。然而在實際的教學中，片面關注實驗教學的基礎認知功能，忽略實驗教學方法、創新育人等隱性功能的現象還比較普遍。怎樣從教師單純教知識轉化為讓學生自主參與實驗獲取新知、感受實驗的魅力、充分發揮化學實驗的教學功能？本文試以蘇教版“碳酸鈉與碳酸氫鈉”性質實驗為例，對實驗試劑、實驗條件進行優化選擇以縮短實驗時間;設計適宜學生分組操作且具有創新性的微型化裝置，讓每個學生都有機會深入參與實驗過程，在實驗學習的體驗中提升相應的學科核心素養。

1??碳酸鈉、碳酸氫鈉性質實驗的現狀分析

1.1??不同版本新教材中二者性質實驗的比較

普通高中化學課程標準（2017年版）體系下的化學教科書呈現百家爭鳴的現象。將不同版本的新教材中關于碳酸鈉、碳酸氫鈉的實驗教學內容進行比較，發現存在一定的差異性。具體見表1。

2.?完善碳酸鈉、碳酸氫鈉性質比較表格的基礎上，設計區別二者的實驗方案。通過碳酸鈉性質實驗的探究，從類別角度歸納碳酸鹽的通性，建立物質性質與用途有必然聯系的認識。

魯科版[3]必修第一冊第1章微項目探秘膨松劑推測碳酸氫鈉用作膨松劑的原理，設計探究碳酸氫鈉化學性質的實驗方案。在真實情境中體會研究陌生物質性質的方法和程序的實用價值。

在實際教學中，教師可針對學生的具體情況，博采眾長，綜合取舍不同版本教材中的實驗，基于實驗事實對比碳酸鈉、碳酸氫鈉的性質，發揮實驗教學的不同功能。

1.2??二者性質實驗教學功能分析

通過初中化學“生活中常見的鹽”的學習，學生對于碳酸鈉、碳酸氫鈉的性質有了一定的認識。高中再次接觸，教師可以引導學生從微觀的角度來認識二者性質既具有相似性，又存在明顯的差異性，在一定條件下二者可以相互轉化。幫助學生在親歷實驗的過程中，初步學會以微粒的視角透過實驗現象看反應的本質，實現“宏—微—符”三重表征思維的自由切換并建立起關聯，形成“結構決定性質，性質決定用途”的學科觀念。碳酸鈉、碳酸氫鈉性質的實驗教學既能為后續學習理解離子反應的實質提供事實佐證，同時讓學生切身體會“實驗是化學研究的重要手段和方法”。

1.3??相關性質實驗改進的現狀及分析

有關碳酸鈉、碳酸氫鈉性質實驗改進的文獻比較多。比如二者與鹽酸反應的實驗改進中，有分別從碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液底部注入鹽酸來探究二者與鹽酸反應的本質[4];有利用針管實驗定量比較碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應生成CO2速度的快慢[5];還有通過手持技術探究碳酸鈉與鹽酸分步反應的機理[6]。

二者熱穩定性對比實驗中，主流的改進方案是套管實驗;個別方案采用同時加熱放在金屬薄片上的碳酸鈉、碳酸氫鈉固體，用冷而干燥的燒杯罩在固體上方，利用燒杯收集反應產生的氣體來檢驗二者的熱穩定性[7];也有采取油浴加熱代替酒精燈加熱的方法[8]。

分析上述已有的改進實驗，發現存在如下共同的問題：?多數實驗裝置比較復雜，有些方案對學生實驗操作技能水平要求過高，不適宜學生的分組實驗。針對以上的不足，筆者設計了一套微型化、簡便化、易操作的實驗新裝置，既適宜學生開展分組對比實驗，同時也能最大程度地發揮實驗教學在提升學生化學學科核心素養方面的作用。

2??實驗裝置的新改進

2.1??碳酸鈉、碳酸氫鈉的溶解實驗

蘇教版關于碳酸鈉、碳酸氫鈉的水溶性對比是通過文本的形式直接提供，教材中并沒有具體的相關實驗。筆者參考人教版必修第一冊第36頁中碳酸鈉、碳酸氫鈉的溶解實驗：?各取1g碳酸鈉、碳酸氫鈉，觀察外觀后滴幾滴水，感受溫度變化;繼續加入5mL水，振蕩。在實驗操作過程中發現：?1g碳酸鈉滴幾滴水后立即結塊，后續即使再加入10mL水，待完全溶解也需要4分鐘左右的時間，耗時太長。

經過反復實驗，改為分別取0.5g碳酸鈉、碳酸氫鈉固體，滴幾滴水感受溫度變化后，繼續加入5mL?25℃左右的溫水再振蕩。如此稍加改變，完成水溶性實驗不到1分鐘，大大節約了課堂時間，非常適宜學生的分組操作及教師的課堂演示。

2.2??碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應的實驗

碳酸鈉、碳酸氫鈉與酸反應的教學功能在于通過辨識宏觀現象的不同，初步嘗試從微觀角度分析反應的本質，所以實驗的關鍵是能讓學生真正觀察和感受到碳酸鈉與鹽酸的反應是分步進行的，酸的量不同則產物也不同，而碳酸氫鈉與鹽酸的反應是一步到位的。基于教學功能作如下改進：?在兩個干燥潔凈的10mL青霉素瓶子中分別加入1mL滴有2～3滴酚酞的1mol/L碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液;兩支5mL注射器的針管中分別加入4mL?0.5mol/L的鹽酸，針頭穿過青霉素瓶橡膠塞。另取兩支2.5mL注射器，針頭穿過青霉素瓶橡膠塞。推動5mL的注射器往青霉素瓶子中逐滴滴加鹽酸，待2.5mL注射器中的活塞上升后，將2.5mL注射器中收集到的氣體注入到1mL的澄清石灰水中。實驗裝置如圖1所示。

2.3??碳酸鈉、碳酸氫鈉熱穩定性的實驗

不管是新教材還是目前已有的改進實驗，探究的都是二者固體的熱穩定性，藥品用量比較多且大多裝置復雜。針對以上實驗現狀，筆者對實驗試劑進行優化選擇，對實驗裝置進行微型化改進。具體如下：?兩個青霉素瓶子中分別加入3mL滴有2～3滴酚酞的飽和碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液，各取一支2.5mL注射器穿過青霉素瓶子的膠塞，實驗裝置如圖2所示。將圖2裝置放入裝有90℃熱水的燒杯中，待2.5mL注射器中的活塞上升后，將收集到的氣體推入到1mL的澄清石灰水中。

3??基于發揮實驗教學功能的教學設計

結合碳酸鈉、碳酸氫鈉在生產生活中的廣泛用途，創設真實情境下的具體探究問題，在任務型的問題驅動下學生利用改進后的裝置開展實驗為主的探究活動。通過相應的探究活動感悟碳酸鈉、碳酸氫鈉性質的差異及相互轉化的方法。

任務一：?尋找身邊的碳酸鈉、碳酸氫鈉

學生展示課前收集到的含碳酸鈉、碳酸氫鈉的生活物品，并說出該物品的主要成分。教師根據學生展示的情況進行適當補充：?蘇打餅干、胃藥、去污粉、干粉滅火器等。

[問題1]含碳酸鈉的去污粉為什么可以去污？碳酸鈉為什么俗稱純堿？根據碳酸鈉、碳酸氫鈉的組成與類別，預測二者的性質。

[學生]碳酸鈉水溶液呈堿性。純堿不是堿，屬于鹽，可以與某些鹽、堿、酸反應。

[追問]二者與鹽、堿、酸的反應屬于哪種基本反應類型？你能否根據該類反應的特征選擇具體的試劑，同時設計相關實驗驗證你的預測？

[學生]屬于復分解反應，選擇的酸其酸性應比碳酸強，采用的堿或鹽應能與碳酸鈉生成沉淀。選擇的具體試劑及對應的預測結果見表2。

設計意圖：?加深化學與生活密切聯系的認識。為建構形成“結構決定性質，性質決定用途”的學科觀念埋下伏筆。

任務二：?感受碳酸鈉、碳酸氫鈉性質的異同

[活動探究1]分別取0.5g的碳酸鈉、碳酸氫鈉，觀察它們外觀的細微差別，滴幾滴水，用手觸摸試管底部。再向試管中加入25℃左右的溫水，用力振蕩。取溶解后的碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液各1mL，分別滴加1～2滴酚酞溶液，觀察現象。

實驗現象：?滴加水后碳酸鈉固體立即結塊，試管底部觸感溫熱，加入溫水后固體全部溶解且溶液變為深紅色;滴加水后裝有碳酸氫鈉固體的試管底部觸感冰涼，加入溫水后固體部分溶解且溶液為淺紅色。

設計意圖：?簡單的水溶性實驗，目的在于關注學生實驗過程中的學習體驗而非單純記住知識本體。通過實驗過程的變化，既體現了實驗的認知功能，也提升了學生的觀察能力。

任務三：?對比碳酸鈉、碳酸氫鈉性質

[活動探究2]取1mL澄清的石灰水、氯化鈣溶液各2份于四支潔凈的試管中，滴加活動探究1中獲得的碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液，觀察現象。

[學生1]澄清石灰水、氯化鈣溶液中分別滴加碳酸鈉后均有白色沉淀產生;往澄清石灰水中滴加碳酸氫鈉也出現白色沉淀，而氯化鈣溶液滴加碳酸氫鈉無明顯現象。

[學生2]四支試管均出現白色沉淀。

[教師]碳酸氫鈉在水中電離產生Na+與HCO-3。HCO-3能與堿電離出的OH-反應，所以澄清石灰水與碳酸氫鈉溶液混合后有白色沉淀產生，該反應的化學方程式與二者的量有關，目前不作要求。而氯化鈣溶液中分別滴加碳酸鈉、碳酸氫鈉，不同組的實驗現象不同，其原因和你們實驗用到的氯化鈣溶液濃度有關，涉及的原理有待于我們后續學習。

[問題2]根據你們的預測，碳酸鈉、碳酸氫鈉都能與鹽酸反應。為什么治療胃酸過多的藥物成分用的是碳酸氫鈉？

[學生]堿性不同，碳酸鈉溶液堿性更強。

[學生]與酸反應是不是也有不同？

[教師]介紹上述圖1的實驗裝置，指導學生實驗過程中要逐滴滴加鹽酸。

[活動探究3]利用圖1的實驗裝置探究碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸的反應。

實驗現象：?滴有酚酞的碳酸鈉逐滴滴加鹽酸后，溶液由紅色慢慢變為淺紅色，過程中無氣泡產生。繼續滴入鹽酸，溶液由淺紅色慢慢變成無色，且過程中有大量氣泡產生。

滴有酚酞的碳酸氫鈉溶液滴加鹽酸后，立即有大量氣泡產生，溶液由淺紅色變成無色。

[問題]碳酸鈉在水溶液中主要以什么離子存在？請寫出電離方程式。

[學生]Na2CO32Na++CO2-3。

[教師]已知Na2CO3溶液顯堿性是由于CO2-3與水的作用，含酚酞的Na2CO3紅色溶液加入鹽酸后溶液顏色變為淺紅，說明了什么？（展示滴有酚酞碳酸氫鈉溶液的試管，讓學生進行對比）

[學生]CO2-3被H+消耗。

[追問]紅色溶液轉變為淺紅色的過程中并沒有氣體產生，此時CO2-3與H+結合生成什么粒子？繼續加入鹽酸后又為什么會產生氣體？

[學生]紅色溶液轉變為淺紅色是生成HCO-3，淺紅色變無色的過程中HCO-3與H+反應生成CO2。

[教師]通過以上微觀過程的分析，你能寫出往碳酸鈉溶液中緩慢滴加鹽酸的過程中涉及的化學方程式嗎？

[學生]Na2CO3+HClNaCl+NaHCO3;

NaHCO3+HClNaCl+H2O+CO2↑。

[教師]多元弱酸的正鹽與強酸反應是分步進行的。

設計意圖：?基于實驗變化的過程，引發學生的認知沖突。從微觀離子的角度幫助學生認識碳酸鈉、碳酸氫鈉性質的差異。通過水溶液中存在哪些微粒、微粒相互作用能引起怎樣的變化、變化造成什么結果等問題的逐步分析與解決，發展學生認識物質及其轉化的變化觀念，建立“宏—微—符”三重表征的有機聯系。

任務四：?碳酸鈉、碳酸氫鈉相互轉化

[問題3]CO2-3與HCO-3都能結合強酸中的H+生成CO2，那二者能結合碳酸中的H+嗎？

[演示實驗]往2個200mL的軟質礦泉水瓶中各倒入100mL的“七喜”碳酸飲料，再分別迅速加入4g的碳酸鈉、碳酸氫鈉固體粉末，擰緊瓶蓋，用力搖晃瓶子。

[學生]倒入碳酸鈉固體的瓶子慢慢變癟;倒入碳酸氫鈉固體的瓶子鼓鼓的，打開瓶蓋，發出“砰”的響聲。

[教師]你們能解釋以上現象不同的原因嗎？

[學生]倒入碳酸鈉固體，反應后瓶子內壓強變小所以慢慢變癟;倒入碳酸氫鈉固體，反應生成氣體壓強增大所以變鼓。

[教師]“七喜”中含檸檬酸，遇碳酸氫鈉生成二氧化碳。而“七喜”碳酸飲料中倒入碳酸鈉固體，二氧化碳不增反減，二氧化碳哪去了？你們能參考碳酸鈉與鹽酸反應的過程，書寫瓶子變癟過程的化學方程式嗎？

[學生]Na2CO3+H2O+CO22NaHCO3。

[教師]二元弱酸的正鹽遇酸能生成酸式鹽。

[問題4]碳酸氫鈉是蘇打水、蘇打餅干的重要添加劑。在蘇打餅干的烘焙過程中碳酸氫鈉起什么作用？蘇打餅干中的氣孔是怎么產生的？

[學生]烘焙過程中碳酸氫鈉分解生成氣體逸出使餅干酥松多孔。

[活動探究4]利用上述圖2的實驗裝置探究碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液的熱穩定性。

實驗現象：?2.5mL針管中的活塞都上升，且裝有飽和碳酸氫鈉溶液的青霉素瓶塞上針管活塞上升得更快。把針管內的氣體分別推入到1mL的澄清石灰水中，飽和碳酸鈉實驗的針管收集到的氣體遇澄清石灰水無明顯現象，飽和碳酸氫鈉實驗的針管收集到的氣體能使澄清石灰水變渾濁。

[問題5]是什么原因導致兩個瓶塞上的針筒都上升？

[學生]碳酸氫鈉不穩定，加熱分解生成二氧化碳氣體。裝有飽和碳酸鈉溶液的青霉素瓶瓶塞上的針管活塞上升是因為空氣受熱膨脹，并沒有分解生成二氧化碳。

設計意圖：?通過建立實驗現象與結論間的邏輯關系，培養學生證據推理能力，同時借助實驗養成求真務實、勇于創新的科學態度。

任務五：?碳酸鈉、碳酸氫鈉的實際應用

[學生]解釋去污粉去污原理、碳酸氫鈉治療胃酸過多的原因。

[教師]展示資料：?或可用碳酸氫鈉靶向治療骨質疏松癥。

設計意圖：?感受或體驗化學學科的實用性，培養學生將化學知識應用到生活和生產中的意識。

4??實驗改進的反思

實驗的改進與創新的探究是實驗教學研究的重要部分。通過實驗改進，筆者有幾點思考。

4.1??把握教學功能是實驗改進的價值前提

實驗教學應該承擔教學的知識本體價值和素養發展價值。在理解實驗教學價值基礎上的實驗改進，才能發揮化學實驗的最大功效[9]。忽略實驗教學功能的實驗改進猶如失去羅盤的航船，容易迷失方向。本文通過碳酸鈉、碳酸氫鈉實驗試劑及條件等的優化選擇、實驗裝置的微型化創新設計，讓學生在親歷碳酸鈉、碳酸氫鈉性質對比實驗的過程中，深化對知識的本體理解，強化微粒觀、實驗觀的培育。

4.2??簡約微型化是實驗改進的重要趨勢

宋心琦先生提倡用簡單易行的技術或裝置，既能激發學生的科學學習興趣和創造熱情，又可以把實驗過程觀察得更為細致，從而進一步推動學生對化學及相關學科的學習[10]。目前許多農村中學實驗器材的缺乏是制約實驗實施的一個重要因素。利用生活中常見的注射器、青霉素小瓶子等不僅解決了實驗器材缺乏的問題，也啟迪了學生的創新思維。同時，簡單且便于操作的實驗儀器也比較適宜學生的分組實驗，實用性強，更易推廣。

4.3??以學生為本是實驗改進的基本原則

從學生的認知角度出發，以學生為本是實驗改進的基本原則。碳酸鈉與鹽酸分步反應的機理以及碳酸鈉溶液能夠吸收二氧化碳的知識點僅靠文本信息是很難解決學生的認知障礙的。本次改進實驗在碳酸鈉與鹽酸的反應中加入酚酞指示劑，可將學生對微觀變化的想象可視化;把碳酸鈉與碳酸飲料反應的體系轉移到軟質礦泉水瓶中，讓內隱的反應原理顯性化。

參考文獻：

[1]王晶，?畢華林主編.?化學必修第一冊[M].?北京：?人民教育出版社，?2019：?36～37.

[2]王祖浩主編.?化學必修第一冊[M].?南京：?江蘇鳳凰教育出版社，?2020：?70～73.

[3]王磊主編.?化學必修第一冊[M].?濟南：?山東科學技術出版社，?2019：?32～35.

[4][7]周存軍.?談探究碳酸鈉性質實驗的創新[J].?化學教學，?2014，?（5）：?50～51.

[5][6]符吉霞，?丁偉.?碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應的創新實驗設計及教學應用[J].?教育與裝備研究，?2020，?（2）：?28～32.

[8]伍強，?黃晶，?杜金鈴.?基于對比實驗和創新實驗的化學教學——以“碳酸鈉和碳酸氫鈉”的教學為例[J].?化學教學，?2017，?（4）：?59～63.

[9]肖中榮，?周萍.?再談碳酸鈉和鹽酸反應的實驗改進[J].?化學教學，?2019，?（10）：?54～57.

[10]宋心琦.?有關化學實驗改革的想法與建議[J].?化學教育，?2001，?（3）：?36～38.