核心素養(yǎng)導(dǎo)向下無(wú)明顯現(xiàn)象反應(yīng)的可視化
——以二氧化碳和氫氧化鈉的反應(yīng)為例

廣東省中山市實(shí)驗(yàn)中學(xué)(528400) 曹梅姣

氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)是初中化學(xué)的重要反應(yīng)。由于氫氧化鈉與二氧化碳的反應(yīng)無(wú)明顯現(xiàn)象，所以教材中沒(méi)有用實(shí)驗(yàn)來(lái)證明兩者發(fā)生了反應(yīng)。不少一線教師為了幫助學(xué)生理解此反應(yīng)，設(shè)計(jì)了一些有明顯現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，如改變氣壓的“塑料瓶變癟法”、檢驗(yàn)生成物的“產(chǎn)生氣泡法”等[1]。楊老師在《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》2017年第10期發(fā)表的文章《氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)》中是這樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的：如圖1所示，在自制的W管中裝入NaOH水溶液和NaOH乙醇溶液，然后往W管通入CO2，通過(guò)NaOH水溶液無(wú)明顯變化而NaOH乙醇溶液出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，得出CO2能與NaOH反應(yīng)的結(jié)論[2]。上述方法新穎、裝置簡(jiǎn)單，但是實(shí)驗(yàn)過(guò)程易出現(xiàn)以下問(wèn)題：①裝置易傾斜，不穩(wěn)定；②W管孔徑小，管內(nèi)液體容易被吹出；③CO2沒(méi)有同時(shí)通入NaOH水溶液和NaOH乙醇溶液，對(duì)比不夠嚴(yán)謹(jǐn)。筆者從實(shí)驗(yàn)儀器創(chuàng)新化、裝置集成化、實(shí)驗(yàn)效果明顯化的角度設(shè)計(jì)了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)用品

(1)儀器：錐形瓶、注射器、帶膠塞導(dǎo)管、Y形管、針頭、木塊、試管夾。

(2)藥品：石灰石、稀鹽酸、氫氧化鈉水溶液、氫氧化鈉乙醇溶液、百里酚酞溶液。

3 實(shí)驗(yàn)原理

氫氧化鈉溶于水和乙醇，碳酸鈉溶于水但微溶于乙醇。當(dāng)CO2分別通入氫氧化鈉水溶液和氫氧化鈉乙醇溶液時(shí)，前者無(wú)明顯變化后者出現(xiàn)渾濁并形成凝膠，現(xiàn)象明顯直觀，能充分證明CO2與氫氧化鈉發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

百里酚酞變色范圍為9.4～10.6，20 ℃飽和碳酸鈉溶液的pH為12.3，20 ℃飽和碳酸氫鈉溶液的pH為8.1，實(shí)驗(yàn)中使用的NaOH溶液的pH為13。當(dāng)CO2分別通入滴有百里酚酞的氫氧化鈉水溶液和氫氧化鈉乙醇溶液時(shí)，前者溶液由藍(lán)色變?yōu)闊o(wú)色，后者藍(lán)色溶液出現(xiàn)渾濁最后形成白色凝膠，前者和后者的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都說(shuō)明了CO2能與氫氧化鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

4 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

(1)組裝實(shí)驗(yàn)儀器，檢查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性。取下橡膠塞針頭，將注射器活塞往上拉，松手后，注射器活塞往下彈回并回到原處，說(shuō)明裝置氣密性良好。

(2)錐形瓶中盛放少量大理石，注射器吸取適量稀鹽酸，Y形管兩側(cè)分別加入氫氧化鈉水溶液和氫氧化鈉乙醇溶液，連接好裝置。將注射器中的稀鹽酸緩緩?fù)迫脲F形瓶中，輕輕振蕩Y形管，可以觀察到Y(jié)形管中氫氧化鈉水溶液一側(cè)無(wú)明顯變化，而氫氧化鈉乙醇溶液一側(cè)出現(xiàn)渾濁并形成凝膠，說(shuō)明CO2與氫氧化鈉發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)(見(jiàn)圖3)。

圖3 步驟(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

(3)過(guò)一段時(shí)間，取下Y形管，滴加適量稀鹽酸，觀察到氫氧化鈉乙醇溶液一側(cè)白色凝膠由上往下逐漸消失且伴隨產(chǎn)生大而多的氣泡(見(jiàn)圖4)，說(shuō)明CO2與氫氧化鈉反應(yīng)生成了新物質(zhì)，進(jìn)一步驗(yàn)證了CO2與氫氧化鈉發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

圖4 步驟(3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

(4)將Y形管兩側(cè)分別換成滴有百里酚酞的氫氧化鈉水溶液和氫氧化鈉乙醇溶液，通入CO2，觀察到Y(jié)形管氫氧化鈉水溶液一側(cè)溶液由藍(lán)色變?yōu)闊o(wú)色，而氫氧化鈉乙醇溶液一側(cè)藍(lán)色溶液消失并形成白色凝膠，最后往Y形管中滴入稀鹽酸，觀察到氫氧化鈉乙醇溶液一側(cè)白色凝膠由上往下逐漸消失且伴隨產(chǎn)生大而多的氣泡(見(jiàn)圖5)，Y形管左右兩側(cè)現(xiàn)象都說(shuō)明了CO2與氫氧化鈉發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

圖5 步驟(4)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象

5 實(shí)驗(yàn)反思及評(píng)價(jià)

檢驗(yàn)新物質(zhì)的生成和證明反應(yīng)物的消耗是探究無(wú)明顯現(xiàn)象反應(yīng)能發(fā)生的兩條途徑，采用何種方式證明此類反應(yīng)的發(fā)生需要具體問(wèn)題具體分析。二氧化碳與氫氧化鈉的反應(yīng)既可以從檢驗(yàn)生成物碳酸鈉的角度也可以從檢驗(yàn)反應(yīng)物氫氧化鈉或二氧化碳的消耗的角度進(jìn)行探究。從檢驗(yàn)生成物的角度，本實(shí)驗(yàn)以“二氧化碳通入澄清石灰水，澄清石灰水變渾濁”為原型，確定了“二氧化碳通入氫氧化鈉某溶劑溶液，立即產(chǎn)生沉淀”的思路，從而替換氫氧化鈉溶液為氫氧化鈉乙醇溶液；從檢驗(yàn)消耗反應(yīng)物的角度，本實(shí)驗(yàn)以“稀鹽酸滴入滴有酚酞溶液的氫氧化鈉溶液，溶液變?yōu)闊o(wú)色”為原型，確定了“二氧化碳通入滴有某試劑的氫氧化鈉溶液，溶液變色”的思路，從而替換氫氧化鈉酚酞溶液為氫氧化鈉百里酚酞溶液。本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)和實(shí)踐中體現(xiàn)了以下3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。

5.1 注重培養(yǎng)學(xué)生“化隱為顯”的思維

二氧化碳與氫氧化鈉能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是無(wú)明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在學(xué)生看來(lái)此類反應(yīng)是不會(huì)發(fā)生的，因此教師在教學(xué)過(guò)程中需要將無(wú)明顯現(xiàn)象的反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛鞋F(xiàn)象的反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)借助氫氧化鈉乙醇溶液和百里酚酞指示劑使無(wú)明顯現(xiàn)象可視化，從而幫助學(xué)生理解二氧化碳與氫氧化鈉的反應(yīng)。二氧化碳通入氫氧化鈉乙醇溶液后，觀察到溶液變渾濁并形成凝膠；二氧化碳通入滴有百里酚酞的氫氧化鈉水溶液后，溶液由藍(lán)色變?yōu)闊o(wú)色。這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都直觀地說(shuō)明了二氧化碳能與氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)明顯現(xiàn)象反應(yīng)的可視化，體現(xiàn)了化學(xué)教學(xué)中化“隱性”為“顯性”的教學(xué)策略。

5.2 注重培養(yǎng)學(xué)生“化繁為簡(jiǎn)”的能力

探究二氧化碳與氫氧化鈉能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的方法有很多，如“塑料瓶變癟法”“氣球脹大法”“試管倒扣法”等[3]。這些方法實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菍?shí)驗(yàn)裝置較為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)操作繁瑣，且需要先收集大量的二氧化碳再來(lái)驗(yàn)證二氧化碳與氫氧化鈉能反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)把以往復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單化、集成化，不僅能夠節(jié)約實(shí)驗(yàn)者時(shí)間，還能降低實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中出錯(cuò)或?qū)嶒?yàn)不成功的概率，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)對(duì)比性，體現(xiàn)了化學(xué)教學(xué)中化“復(fù)雜”為“簡(jiǎn)單”的教學(xué)思想。

5.3 注重培養(yǎng)學(xué)生環(huán)保、節(jié)約和創(chuàng)新意識(shí)

利用廢舊小塑料瓶和注射器制取二氧化碳，既節(jié)約藥品又廢物利用，體現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“注重培養(yǎng)學(xué)生環(huán)保和節(jié)約意識(shí)”。用Y形管作反應(yīng)容器可以增強(qiáng)二氧化碳與氫氧化鈉水溶液和氫氧化鈉乙醇溶液反應(yīng)的對(duì)比效果，使實(shí)驗(yàn)儀器創(chuàng)新化、實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單化、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯化，體現(xiàn)了核心素養(yǎng)導(dǎo)向的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)“創(chuàng)新意識(shí)”的研究。