碳酸鈣、碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)的實驗探究

潘智陽 呂春嬌 劉炳華

摘要：比較碳酸鈉、碳酸鈣性質(zhì)及與鹽酸反應(yīng)的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)其差異原因在于溶解性。利用pH傳感器及液滴數(shù)傳感器為測試手段，探究飽和碳酸鈉溶液與不同濃度鹽酸的反應(yīng)，并從宏觀、微觀、符號、曲線四個角度分析反應(yīng)現(xiàn)象，揭示鹽酸與碳酸鈉分步反應(yīng)的實質(zhì)。

關(guān)鍵詞：碳酸鈉；碳酸鈣；鹽酸；傳感器；實驗探究

文章編號：10056629（2023）06007604中圖分類號：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

中學(xué)階段各版本教材均涉及碳酸鈉和碳酸鈣性質(zhì)的探究，都有與鹽酸的反應(yīng)，但實驗方案均未具體標(biāo)明所用鹽酸的濃度，比如上海教育出版社2012年出版的初三化學(xué)教材（上）中描述為“稀鹽酸”^［1］，江蘇鳳凰教育出版社2014年出版的高中化學(xué)教材（必修一）中描述為“濃鹽酸”^［2］。鹽酸濃度究竟多少適宜呢？實驗中我們發(fā)現(xiàn)不同濃度的鹽酸分別與碳酸鈣和碳酸鈉反應(yīng)時出現(xiàn)“異常”現(xiàn)象，鹽酸濃度會直接影響實驗結(jié)果，為此我們作了深入探究。

1 發(fā)現(xiàn)問題

在實驗中發(fā)現(xiàn)，向兩個分別裝有碳酸鈣粉末和碳酸鈉粉末的燒杯中滴加0.1mol/L鹽酸，發(fā)現(xiàn)只有碳酸鈣產(chǎn)生氣泡，而碳酸鈉至完全溶解后也未觀察到氣泡，這似乎與“稀鹽酸與碳酸鈉反應(yīng)最初不產(chǎn)生氣泡，后來產(chǎn)生氣泡”相違背！隨后又分別用0.5mol/L和1.0mol/L的鹽酸溶液加入碳酸鈉、碳酸鈣粉末中，發(fā)現(xiàn)兩者均產(chǎn)生氣泡。僅從化學(xué)式看，碳酸鈣為CaCO₃，碳酸鈉為Na₂CO₃，均只有一個碳酸根，貌似與鹽酸反應(yīng)的結(jié)果應(yīng)該一致。

2 分析問題

我們對碳酸鈣和碳酸鈉部分性質(zhì)進(jìn)行了比較，如表1所示。可見二者的狀態(tài)、熔點、與酸堿反應(yīng)的情況等幾乎一致，但溶解度差異卻很大，這可能是造成上述反應(yīng)現(xiàn)象不同的原因。

當(dāng)鹽酸與碳酸鈣粉末反應(yīng)時，粉末會漂浮在溶液表層，在顆粒表面發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的二氧化碳會直接逸出；而碳酸鈉易溶于水，反應(yīng)在溶液中進(jìn)行，且在鹽酸濃度很低情況下，反應(yīng)生成的二氧化碳溶解在水中，不能大量逸出產(chǎn)生氣泡。

分析相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，使用0.1mol/L的鹽酸和碳酸鈉溶液互相滴加，均立即產(chǎn)生氣泡^［3］。使用的鹽酸和碳酸鈉溶液的濃度均為0.01mol/L，獲得的pH、 CO₂濃度變化的雙縱坐標(biāo)曲線與模擬曲線基本一致^［4］。而我們選用不同濃度鹽酸滴定碳酸鈉粉末進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生二氧化碳需要大量低濃度鹽酸，導(dǎo)致難以觀察到氣泡。

經(jīng)上述分析，若保持碳酸鈉溶液濃度不變，改變鹽酸濃度，應(yīng)當(dāng)存在三種反應(yīng)情況：

（1） 碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)很難觀察到氣泡；

（2） 碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)一開始不產(chǎn)生氣泡，一段時間后明顯產(chǎn)生氣泡；

（3） 碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)一開始就能明顯觀察到氣泡。

為此，筆者設(shè)計了三組實驗，利用數(shù)字化實驗設(shè)備對實驗進(jìn)行探究，并結(jié)合“四重表征”方法進(jìn)行分析^［5～7］。

3 實驗設(shè)計

3.1 實驗設(shè)計原理

化學(xué)反應(yīng)：不同濃度的鹽酸滴入碳酸鈉溶液，鹽酸先與碳酸根離子反應(yīng)生成碳酸氫根。若酸過量，則會生成碳酸，并分解為二氧化碳逸出。

傳感器：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器產(chǎn)生并應(yīng)用于中學(xué)實驗教學(xué)，對于發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)有三點優(yōu)勢：實驗證據(jù)更加充足，可以得到實驗進(jìn)程中變化的數(shù)據(jù)；實驗重復(fù)性好，相比傳統(tǒng)實驗，數(shù)字化實驗條件的控制更精確，實驗過程更穩(wěn)定；增強了實驗的探究性，可讓學(xué)生通過曲線分析，培養(yǎng)和提高其探究能力。

四重表征：多重表征理論是應(yīng)用于概念教學(xué)的理論，將多重表征理論與化學(xué)教學(xué)相結(jié)合一直是研究的熱點^［8］。從宏觀、微觀、符號、曲線四個角度分析實驗并聯(lián)系學(xué)生已有知識，能提高實驗教學(xué)的有效性，增強科學(xué)探究的指向性。

3.2 實驗儀器及用品

儀器：pH傳感器、液滴數(shù)傳感器及配套滴管、磁力攪拌器、數(shù)據(jù)采集器及其配套軟件、燒杯、量筒、膠頭滴管、玻璃棒

藥品：12mol/L鹽酸、無水碳酸鈉粉末、去離子水、酚酞試劑、甲基橙試劑

3.3 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

3.4 實驗步驟

（1） 分別配制1.0mol/L鹽酸、0.5mol/L鹽酸、0.1mol/L鹽酸、飽和碳酸鈉溶液。

（2） 按圖1組裝實驗裝置，調(diào)節(jié)滴管末端恰在液滴數(shù)傳感器的中間位置。向滴管中加入去離子水，調(diào)節(jié)閥門控制至適宜流速，并確保液滴數(shù)傳感器能準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)。

（3） 潤洗滴管2～3次，關(guān)閉開關(guān)閥，加入1.0mol/L鹽酸，向燒杯中加入20mL飽和碳酸鈉溶液，安裝好pH傳感器，確保pH傳感器的玻璃泡浸沒在溶液中，最后放入磁子。

（4） 向燒杯中滴入2～3滴酚酞指示劑，開始數(shù)據(jù)采集，緩慢打開磁力攪拌器，調(diào)整至合適轉(zhuǎn)速，再打開開關(guān)閥。觀察屏幕曲面變化和溶液顏色變化。待紅色褪去后，立刻加入幾滴甲基橙，繼續(xù)觀察屏幕曲線變化和溶液顏色變化，直至曲線完成第二個突躍，且曲線有變平的趨勢時，關(guān)閉開關(guān)閥，停止數(shù)據(jù)采集。

（5） 依次用0.5mol/L、 0.1mol/L鹽酸重復(fù)上述（3）、 （4）步驟，得到滴定曲線。

（6） 實驗結(jié)束，拆除裝置，洗凈實驗儀器，并規(guī)范收好傳感器。

4 實驗數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

4.1 1.0mol/L鹽酸滴定飽和碳酸鈉溶液

滴定曲線如圖2所示。

［AB段］

曲線：曲線緩慢下降。

宏觀：溶液紅色逐漸變淡，有氣泡產(chǎn)生。

微觀：此時的氣泡是由于局部濃度過大，鹽酸在與碳酸鈉接觸的一瞬間，生成碳酸并分解為二氧化碳逸出，但總體上還是碳酸根向碳酸氫根離子轉(zhuǎn)化的過程。

符號：

［BC段］

曲線：曲線迅速下降，在BC之間存在一個點代表碳酸根離子完全變?yōu)樘妓釟涓?/p>

宏觀：溶液紅色繼續(xù)變淡直至無色，有氣泡產(chǎn)生。

微觀：當(dāng)pH小于8后，酚酞完全褪色；剩余少量的碳酸根離子逐漸變?yōu)樘妓釟涓灿猩倭康奶妓釟涓優(yōu)樘妓帷?/p>

符號：

［CD段］

曲線：曲線緩慢下降。

宏觀：溶液黃色逐漸加深，有氣泡產(chǎn)生。

微觀：此時碳酸氫根離子逐漸變?yōu)樘妓幔妓釙纸鉃槎趸家莩觥?/p>

符號：

［DE段］

曲線：曲線迅速下降，在DE之間存在一個點代表碳酸氫根離子完全變?yōu)樘妓帷?/p>

宏觀：黃色繼續(xù)加深為橙色，繼續(xù)變?yōu)榧t色，有氣泡產(chǎn)生。

微觀：剩余少量的碳酸氫根離子逐漸完全變?yōu)樘妓幔灿猩倭康奶妓岱纸鉃槎趸肌?/p>

符號：

4.2 0.5mol/L鹽酸滴定飽和碳酸鈉溶液

滴定曲線如圖3所示。

該濃度的滴定過程，AC之間不產(chǎn)生氣泡，因為鹽酸濃度減小，導(dǎo)致碳酸

根離子未能直接轉(zhuǎn)化為二氧化碳逸出，而C點后逐漸產(chǎn)生氣泡。反應(yīng)歷程同上。

4.3 0.1mol/L鹽酸滴定飽和碳酸鈉溶液

滴定曲線如圖4所示。

該濃度滴定全程未能觀察到明顯氣泡，因為鹽酸濃度與碳酸鈉濃度相差過大，無法觀察到氣泡。反應(yīng)歷程同上。

4.4 結(jié)果分析

在本實驗條件下，1.0mol/L、 0.5mol/L、 0.1mol/L鹽酸滴入飽和碳酸鈉溶液產(chǎn)生的現(xiàn)象分別為：始終有氣泡產(chǎn)生；先無氣泡產(chǎn)生，一段時間后產(chǎn)生氣泡；全程很難觀察到氣泡。因此雖均為“稀鹽酸”，但濃度不同與飽和碳酸鈉溶液反應(yīng)的現(xiàn)象也不同。其實本實驗現(xiàn)象與“稀鹽酸與碳酸鈉反應(yīng)最初不產(chǎn)生氣泡，后來產(chǎn)生氣泡”并不相悖，碳酸鈉溶液的濃度對實驗結(jié)果也有一定影響，不同的濃度比會產(chǎn)生不同的現(xiàn)象，但本質(zhì)上鹽酸與碳酸鈉的反應(yīng)是分步進(jìn)行的，因而導(dǎo)致與碳酸鈣反應(yīng)現(xiàn)象的不同。

參考文獻(xiàn)：

［1］王祖浩，王磊主編. 義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)（九年級上冊）［M］. 上海： 上海教育出版社，2012： 43.

［2］王祖浩主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·化學(xué)1［M］. 南京： 江蘇鳳凰傳媒出版社，2014： 51.

［3］肖中榮，周萍. 再談碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的實驗改進(jìn)［J］. 化學(xué)教學(xué)，2019，（10）： 54～57.

［4］郭雨琦，孟慶華，劉翠，邢蓓蓓.鹽酸與碳酸鈉分步反應(yīng)探究實驗裝置的改進(jìn)［J］. 化學(xué)教學(xué)，2022，（11）： 70～74.

［5］韓慧磊，信欣，孫影. 運用數(shù)字化技術(shù)探究鹽酸滴定碳酸鈉溶液的反應(yīng)［J］. 化學(xué)教學(xué)，2020，（3）： 56～60.

［6］張磊，王璇，孫美華. 基于傳感器檢測探究鹽酸與碳酸鈉溶液的反應(yīng)［J］. 化學(xué)教學(xué)，2021，（6）： 74～77.

［7］［8］林建芬，盛曉婧，錢揚義. 化學(xué)“四重表征”教學(xué)模式的理論建構(gòu)與實踐研究———從15年手持技術(shù)數(shù)字化實驗研究的回顧談起［J］． 化學(xué)教育，2015，（7）： 1～6．