高中化學實驗改進及教學策略

摘 要：“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸的反應”這一教學內容是高中化學實驗教學不可或缺的內容，要想讓學生對這一內容掌握得熟練，教師需要讓學生明確原本的“碳酸鈉，碳酸氫鈉與鹽酸的反應”實驗存在的問題和不足，并且提出相應的改進實驗教學方案，以便于最大限度內滿足學生的學習需求.因此，本文選擇具體的題目對其進行進一步的分析，以求為教師的教學工作提供相應的參考.

關鍵詞：改進策略；碳酸鈉；碳酸氫鈉與鹽酸的反應；高中化學

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0333（2023）24-0111-03

收稿日期：2023-05-25

作者簡介：李文飛（1981.1-），湖北省襄陽人，中學一級教師，從事中學化學教學研究.

實驗不僅是化學教學中最為活躍和生動的教學手段，也是探究化學知識不可或缺的重要途徑^［1-2］.在新課程改革的背景下，要求化學實驗朝著生活化、綠色化和現代化的方向轉變，以便于拓寬學生的學習思路^［3］.關于“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸的反應”的內容也是高中化學考試當中不可忽視的內容，為了對其進行更進一步的分析，采取創設相應的情景，深入挖掘其中存在的聯系，組織學生積極開展項目式學習方法的探究，幫助學生形成高階思維^［4］.

1 傳統“碳酸納、碳酸氫鈉與鹽酸的反應”實驗

例題 一個研究組研究了碳酸鈉、碳酸氫鈉和稀鹽酸的反應.

（1）實驗用品：

碳酸鈉粉末（置于廣口瓶）、稀鹽酸（置于容積為125 mL的細口瓶中）、抹布、紙槽、試管架、Ф15×150 mm的試管、大燒杯（盛裝廢液）、藥匙.

（2）實驗步驟：

①藥品與儀器需仔細檢查；

②選擇干燥試管，放入少量碳酸鈉粉末；

③將1～2 mL稀鹽酸加入試管中；

④觀察實驗現象，及時向監考老師報告；

⑤實驗完成后，及時清洗試管，并將實驗器材復位.

（3）在含有少量碳酸鈉（俗稱______）和碳酸氫鈉的試管中加入足夠的稀鹽酸，觀察到兩者反應劇烈，產生大量氣泡.碳酸氫鈉與稀鹽酸反應的化學方程式為______.

【問題提出】

碳酸鈉、碳酸氫鈉和稀鹽酸反應產生二氧化碳的速率相同嗎？

【實驗的具體設計】

（4） A設計的實驗如圖1所示.實驗過程中，兩個注射器中的稀鹽酸應為______ （充注操作），觀察到如圖2所示的現象.所以他得出結論，碳酸氫鈉和稀鹽酸反應產生二氧化碳更快.

（5） B質疑A的實驗：

①碳酸鈉、碳酸氫鈉和稀鹽酸的反應非常劇烈，很難通過觀察來判斷產氣速度;

②______，他認為，應該取含碳量相同的碳酸鈉和碳酸氫鈉，如果碳酸鈉的質量仍然是0.318 g，應該取______g碳酸氫鈉.

該組學生在老師的指導下設計了如圖3所示的實驗.

①其中的連通管的作用是.

②取相同體積、相同碳元素重量的碳酸鈉和碳酸氫鈉稀溶液（各取2滴酚酞溶液）和足夠體積、相同濃度的稀鹽酸進行實驗.實驗過程中溶液顏色變化記錄于表1.瓶內壓力隨時間的變化如圖4所示.

【實驗結論】（6）通過分析圖4所示的實驗數據，可以得出，在相同條件下，______與稀鹽酸反應更快生成二氧化碳，原因是______.

【反思與應用】

①二者與稀鹽酸反應均很劇烈，稀鹽酸足量，相同質量的碳酸鈉和碳酸氫鈉完全反應產生二氧化碳的質量不相同，所以通過氣球變大的程度無法確定兩物質反應的快慢.含有碳元素的質量相同時，需要碳酸氫鈉的質量為0.252 g；

②碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉溶液和稀鹽酸反應的速率都很劇烈，連通管主要起平衡氣壓的作用，避免裝置中壓強過大導致稀鹽酸不能順利滴下；

③由壓強隨時間的變化圖可知，相同條件下，反應全部結束前，碳酸氫鈉和稀鹽酸反應時，裝置中的壓強越大，說明產生二氧化碳越多；

④碳酸鈉和稀鹽酸之間的反應是分步進行的.

2 “碳酸納、碳酸氫鈉與鹽酸的反應”的實驗改進方案

2.1 內容改進方案

教材中“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應”是一個定性實驗，筆者通過層層遞進，將其設計為定量實驗.（1）使用壓強傳感器測定在密閉體系中的壓強變化情況，作為判斷產生氣體速度快慢的重要依據.

（2）為了了解鹽酸與碳酸鈉溶液反應的本質，需使用到酸式滴定管與pH傳感器.

2.2 實驗器材改進方案

碳酸氫鈉、碳酸鈉、鹽酸溶液、燒杯、數據采集器、筆記本電腦、試管與配套活塞、滴定計數器、pH采集器、磁力攪拌器、針筒注射器等器材.

2.3 實驗教學過程改進方案

2.3.1 直奔主題，吸引關注

根據物質分類，二者均屬鹽，鹽能與鹽、酸、堿等物質發生化學反應.按照強酸制弱酸原理，碳酸氫鈉與碳酸鈉都會與鹽酸發生反應，得到的產物都有二氧化碳.將實物展示出來，提出問題：

消防滅火使用的滅火器里裝的是碳酸氫鈉還是碳酸鈉呢？學生在觀察物質后，可以得出結果，即碳酸氫鈉.泡沫滅火器原理是：二氧化碳能滅火.基于速率角度激發學生繼續思考：為什么泡沫滅火器會選擇碳酸氫鈉呢？學生猜想：碳酸氫鈉和酸之間的反應速度更快.

師生開展互動討論，鹽酸和碳酸氫鈉、碳酸鈉反應都有氣體產生，而產生氣體速度的快慢會對壓強的改變速度產生影響^［5］.

考慮到實驗中控制變量的方法，設計第二個實驗：在密閉空間當中，選擇三支試管，第一支作為空白對照組，加入2 mL蒸餾水；第二支加入碳酸鈉0.1 mol/L，第三支加入0.1 mol/L碳酸氫鈉溶液，分別往三支試管中加入5 mL濃度為0.1 mol/L的鹽酸.另外，快速用橡皮塞塞緊試管，通過壓強傳感器觀察壓強的變化，采用數據采集器繪制曲線.根據圖像能夠明顯發現，曲線斜率最大的是碳酸氫鈉與鹽酸反應的試管.這表明在相同時間內，鹽酸和碳酸氫鈉反應得到的二氧化碳氣體速率更大，反應速度更快.

在得到這一認識之后，讓學生學會寫相關化學方程式.

Na₂CO₃+2HCl====2NaCl+CO₂↑+H₂O

NaHCO₃+HCl====NaCl+CO₂↑+H₂O

在這個實驗教學當中，逐層深入，讓教學過程層層遞進，不顯得過于突兀.學生在提出猜想——尋找證據——得到證實的過程中，找到正確的思維方式.同時也持續落實所必須要掌握的基礎知識，讓學生學會寫相關反應的化學方程式.

2.3.2 定量分析，繼續拓展

按照兩種物質和鹽酸反應的化學方程式發現，碳酸鈉所需的鹽酸數量更多，是否是因為反應速率慢呢？可否增加鹽酸量來驗證呢？再設計第三個實驗：先選擇相同濃度0.1 mol/L，相同劑量10 mL的碳酸氫鈉與碳酸鈉溶液，逐滴加入鹽酸，進行磁力攪拌.通過pH傳感器獲取溶液的pH變動情況，記錄產生氣泡時的pH以及所消耗的鹽酸量.

根據得到的結果圖像，發現在pH為8左右時，碳酸鈉和鹽酸反應才會出現氣泡，之前并無氣泡，鹽酸和碳酸鈉的比例接近1∶1；pH在8.24時，碳酸氫鈉與鹽酸反應出現氣泡，繪制得到的圖像曲線和碳酸鈉溶液反應曲線吻合程度很高.結合上述結果，可以認為碳酸鈉與鹽酸的反應屬于分階段開展，即：

Na₂CO₃+HCl====NaHCO₃+NaCl

NaHCO₃+HCl====NaCl+CO₂↑+H₂O

3 “碳酸納、碳酸氫鈉與鹽酸的反應”的實驗改進效果

實驗中證明了碳酸氫鈉的反應速度要更快一些，也能更快產生二氧化碳，提高滅火的速度.也說明了泡沫滅火器使用該物質的化學原理.

在這次教學當中，采用了實驗與理論結合，圖形與數字結合的方法.這對學生實驗素養的提升與化學學科能力的提升都有重要的促進作用.另外，優化后的實驗更重視師生之間的互動，教師巧妙設計問題，引導學生去觀察、分析和解決問題，也引導學生積極質疑，啟迪創新思維.已有的教學結果也證實，只要精心設計問題情境，學生的探索意識、思維興趣等都能得到很好的激發.而且優化后的實驗不管是問題設計還是具體的實驗開展都遵循了循序漸進的原則，重視學生的認知規律，讓學生在逐步掌握知識的過程中，去探索更深層的問題，從而培養學生的獨創性和判斷性思維.

參考文獻：

［1］ 趙旭梅. 高中化學實驗改進策略［J］.新課程，2022（29）：194-195.

［2］ 高霞.高中化學實驗教學改進策略：以“銅和濃硫酸”為例［J］.教師，2021（15）：59-60.

［3］ 張文強. 核心素養視域下高中化學實驗教學現狀與改進策略［J］.新課程，2021（18）：37.

［4］ 張愛林. 新課標下高中化學實驗教學現狀與改進策略研究［D］.重慶：重慶三峽學院，2020.

［5］ 林建斐.高中化學演示實驗教學改進策略研究［J］.高考，2019（32）：20.

［責任編輯：季春陽］