“氫氧化鈉與二氧化碳反應”實驗的簡約化設計

姜跟華

摘要：氫氧化鈉與二氧化碳反應，通常沒有明顯的實驗現象，學生易產生“實證”盲點。在分析已有實驗設計方案的基礎上，不斷實踐與總結，設計了簡約化實驗方案，取得了非常好的實驗效果。

關鍵詞：氫氧化鈉：二氧化碳；簡約化：設計

文章編號：1008-0546（ 2022 ）11x-0087-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.11x.022

一、問題提出

“氫氧化鈉與二氧化碳反應”是氫氧化鈉的化學性質之一，更是初中化學非常重要的知識點。人教版九年級化學下冊56頁指出：“氫氧化鈉在空氣中不僅吸收水分，還會發生下列反應2NaOH+CO2= Na2CO3+H2O”。它對幫助學生認識“氫氧化鈉必須密封保存”“堿可以與某些非金屬氧化物反應”等有著重要的意義。然而教學時卻發現一些問題：（1）教材沒有編排相關探究實驗，而是直接給出化學方程式，減少了學生自主探究的機會，不利于學生學科素養的提升，較難體現學科的特點和育人價值；（2）將二氧化碳氣體通人到氫氧化鈉溶液中，通常沒有明顯的實驗現象，學生易產生“實證”盲點，失去了“實驗是化學最高法庭”的本真；（3）遵循教材、教參意圖，以氫氧化鈣為參照物，通過類比方式來講解該反應原理，學生缺乏直觀的感性認知，教學效果不理想。實驗是化學的靈魂，探究是學生學習的主要方式，如何設計創新實驗，將氫氧化鈉與二氧化碳反應現象由“看不見”變為“看得見”？幫助學生理解和掌握該反應原理，成為筆者迫切想解決的問題。

二、已有設計

化學變化不但生成其他物質，而且還伴隨著能量的變化，這種能量變化常表現為吸熱、放熱、發光等。上述可觀察到的現象，常常可以幫助我們判斷物質是否發生了化學變化。[1]筆者通過中國知網、萬方數據庫等平臺查閱相關資料，發現很多教師對該反應進行了研究，設計的實驗方案創新選出，令人回味，其設計歸納起來可以分為以下幾種。

1．從氣體壓強變化設計實驗

利用密閉容器內氣體被消耗而導致壓強減小的原理，來設計有明顯現象的實驗，是目前最主要的實驗設計方向。

謝丹敏和湯中華用向上排空氣法將U型管中收集滿二氧化碳，塞上橡皮塞，然后將U型管兩側分別插入等體積的水和NaOH溶液中，再用鑷子取下橡皮塞，可觀察到左側玻璃管內液面比右側液面高（如圖1所示）。[2]

褚衍偉利用了壓強與沸點的關系設計實驗。他將20 mL的水注入到A錐形瓶中，振蕩后觀察無現象，然后又將20 mL濃NaOH溶液迅速注入到錐形瓶A中，振蕩，觀察到B錐形瓶中的水劇烈沸騰起來（如圖2所示）。[3]

通常情況下，1體積水只能溶解1體積二氧化碳。陳立銘和李德前將5 mL 10%的氫氧化鈉溶液慢慢注射到集氣瓶中，發現至少有50 mL的二氧化碳氣體被吸收，除去5 mL水吸收的5 mL二氧化碳氣體，顯然約有45 mL的二氧化碳氣體是被氫氧化鈉吸收的（如圖3所示）。[4]

此外還有的研究者用瓶子變癟法、氣球法、噴泉法、瓶吞雞蛋法等來設計實驗。[5]

2．從氫氧化鈉濃度變化設計實驗

突破固定思維束縛，從另一反應物人手，檢驗OH一離子濃度變化也成為研究者的設計思路。

耿元元將10%的NaOH溶液滴入到百里酚酞指示劑中，直至溶液恰好呈藍色，然后把藍色溶液噴在白色濾紙上，把濾紙放入盛滿CO2的集氣瓶中，搖晃，可觀察到濾紙由藍色變成無色；則證明NaOH與CO2發生了反應（如圖4所示）。[6]

夏琴等向一定濃度的紫甘藍汁稀釋液中加入200 mL 0.1 mol-L -1的氫氧化鈉溶液，然后將pH傳感器浸入混合液中，連接數據采集器，投入幾塊干冰，測定溶液的pH變化，通過觀察溶液酸堿度和溶液顏色的變化，從定性和定量二個維度來證明氫氧化鈉與二氧化碳發生了反應（如圖5所示）。[7]

3．碳酸鈉產物檢驗設計實驗

化學變化的主要特征是有新物質生成。利用碳酸鈉與氫氧化鈉性質的不同，檢驗溶液中是否有碳酸鈉存在，從而確定是否發生了反應，也成為許多研究者設計的方向。

楊光梅等利用碳酸鈉易溶于水而難溶于酒精的性質，將二氧化碳依次通過NaOH的水溶液和NaOH酒精溶液中，發現NaOH水溶液無明顯現象，而NaOH的酒精溶液中卻可以看到白色渾濁，從而證明有新物質生成，真正實現了反應本身由“無現象”變為“有現象”（如圖6所示）。[8]

趙永勝和朱莉將二氧化碳氣體通入氫氧化鈉溶液中一會兒，然后加熱上述溶液，冷卻，再向溶液中滴加足量稀鹽酸，可觀察到氣泡產生，驗證有碳酸鈉存在，從而確定氫氧化鈉與二氧化碳發生了反應（如圖7所示）；此外，他們還提出可以用Ca（OH）2或BaCl2溶液來檢驗碳酸鈉是否存在。[5]

縱觀上述實驗設計，各位研究者在實驗可視化方面都做出了積極的探索。筆者同時也發現了一些問題：（1）有些實驗操作比較繁瑣，不簡約，不利于師生操作；（2）有些實驗設想與實際情形存在差距，成功率偏低（如褚衍偉的液體沸騰設計等）；（3）有些實驗使用的儀器普及率不高，在實際教學中難以被借鑒（如數字化實驗等）；（4）有些實驗設計遠離人教版的知識體系（此時還未學習中和反應和鹽的化學性質），未考慮到學生的知識結構和認知能力，為了“設計”而設計（如使用酸、堿或鹽來檢驗碳酸鈉等）。基于以上分析與思考，筆者有了設想：能否從生成物水的視角來設計實驗呢？反應通常伴隨著能量的變化，能否從能量的視角證明反應的發生呢？為此，筆者進行了實驗設計，并不斷實踐與優化，最終形成了如下簡約化的實驗，實驗效果令人滿意。

三、“氫氧化鈉與二氧化碳反應”實驗的簡約化設計

1．實驗用品

二氧化碳氣體、氫氧化鈉固體、集氣瓶、研缽、藥匙等。

2．實驗操作

（1）取一個250 mL集氣瓶，用向上排空氣法收集一瓶干燥的二氧化碳氣體，備用；

（2）用研缽將氫氧化鈉固體盡可能研細，裝入試劑瓶中；

（3）取2藥匙氫氧化鈉粉末加入到盛有二氧化碳氣體的集氣瓶中，快速蓋好玻璃片，上下振蕩，觀察實驗現象；同時用手觸摸集氣瓶（黏有固體的部位），感受溫度的變化。

3．實驗說明

（1）250 mL集氣瓶可以提供比較多的二氧化碳氣體參與反應（相對于125 mL），使實驗現象更明顯。

（2）選用集氣瓶作為反應容器，符合學生的一般認知（用集氣瓶收集氣體），更重要的原因在于它有適中的厚度（相對于礦泉水瓶）、適宜的導熱性能，可以避免反應放出的熱量將手燙傷，更不會將容器燙穿。

（3）使用固體氫氧化鈉作為反應物，可以排除外來水的干擾，實現從水的視角證明反應的發生；同時將固體氫氧化鈉進行研磨（越細越好），目的是增大固體與氣體的接觸面積，使其充分、快速反應，縮短實驗時間，觀察到更明顯的實驗現象。

（4）實驗過程中，可觀察到固體粉末形成糊狀而黏在容器壁上，同時大約30秒后固體周圍出現很多小水珠；用手觸摸瓶壁可明顯感覺到熱，真正實現了“可視可感”的實驗現象，從多個維度來證明反應的發生。

4．實驗優點

（1）裝置簡約，操作簡便。利用最簡約的實驗裝置（集氣瓶），進行最簡便的“研磨”“振蕩”操作，不需要增加額外實驗（如進行對比實驗或產物檢驗實驗等），就可實現實驗現象的“看得見”。立足簡約，又不失創新。

（2）效果顯著，師生可用。雖然只進行簡約化設計，但注重實驗細節，完美地解決了“看不見”問題，實驗成功率達100%；實驗在1 min左右即可完成，達到了“簡約而不簡單”的效果。

四、實驗思考

氫氧化鈉與二氧化碳反應除了生成水，還生成了碳酸鈉，筆者就有了一個想法：能否從碳酸鈉視角重新設計實驗，既能滿足裝置的簡約化、操作的簡單化和現象的可視化，還能適應學生的知識結構和認知能力呢？為此筆者將二氧化碳氣體分別通人不同濃度的氫氧化鈉溶液中。驚奇地發現飽和氫氧化鈉溶液逐漸變渾濁，30 s左右液體會全部變為糊狀固體；用手觸摸試管外壁，有發熱的感覺。這是為什么呢？筆者查閱資料、仔細分析，終于找到了答案，原來在氫氧化鈉與二氧化碳的反應中，生成的碳酸鈉質量遠大于參加反應的氫氧化鈉質量，而相同溫度下碳酸鈉的溶解度又遠遠小于氫氧化鈉的溶解度（如表1所示），使用飽和氫氧化鈉溶液進行實驗，生成碳酸鈉的質量會遠遠超過此時碳酸鈉的溶解極限，從而碳酸鈉以晶體形式析出，出現了“看得見”的實驗現象。

立足于教材，設計簡約化的實驗，回歸教學原點，讓學生在“做中學”、在“學中思”，親身體驗氫氧化鈉與二氧化碳反應的真實發生，培養了學生創新意識和證據意識。當然二氧化碳和氫氧化鈉反應的簡約化設計肯定遠不止這些，期待與更多的同仁一起碰撞出更好的創意。

參考文獻

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發中心．義務教育教科書（化學九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2012．

[2]謝丹敏，湯中華．封閉U型管在對比實驗中的應用[J].化學教學，2016（04）：81-84.

[3]褚衍偉．CO：與NaOH溶液反應實驗的趣味化設計[J]．化學教學，2014（02）：40.

[4]陳立銘，李德前，基于量的角度設計“氫氧化鈉溶液與二氧化碳反應”的實驗[J].化學教育，2014，35 （23）：50-51．

[5]趙永勝，朱莉．驗證二氧化碳與氫氧化鈉反應的實驗方案[J]．化學教與學，2013（12）：85-88．

[6]耿元元．氫氧化鈉溶液與二氧化碳反應實驗的四種新設計[J].化學教與學，2018（09）：85-87.

[7]夏琴，楊硯寧，毛明．利用紫甘藍汁和pH傳感器探究二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應[J].化學教學，2016 （10）：39-41．

[8]楊光梅，徐世銀，傅雪偉，氫氧化鈉與二氧化碳反應的實驗設計——將反應由“看不見”變為“看得見”[J]．中學化學教學參考，2017（20）：51．

[9] 李夢龍．化學數據速查手冊[M].北京：化學工業出版社，2003：151-152．