摘 要：利用注射器、礦泉水瓶、紫甘藍(lán)汁、氣球等材料改進(jìn)碳酸氫鈉、碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)不同質(zhì)量碳酸氫鈉、碳酸鈉分別與醋酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，從氣球變化、液體顏色變化、反應(yīng)后固體剩余情況等視角觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。當(dāng)碳酸鈉過量時(shí)，發(fā)現(xiàn)氣球先變大后變小，通過測定生成的二氧化碳的質(zhì)量分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因，并用pH傳感器測定碳酸鈉溶液吸收二氧化碳過程的pH變化。從“被反應(yīng)完的物質(zhì)、證據(jù)、推理”三個(gè)視角設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)量表，對學(xué)生活動(dòng)給予反饋。

關(guān)鍵詞：碳酸氫鈉；碳酸鈉；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005-6629（2024）09-0082-05

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》要求：教師應(yīng)積極開展以實(shí)驗(yàn)為主的多樣化的學(xué)科活動(dòng)，促進(jìn)科學(xué)思維培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)從知識(shí)為本到素養(yǎng)發(fā)展的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變^［1］。為了便于學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)或家庭實(shí)驗(yàn)，本研究對教材實(shí)驗(yàn)從生活取材、多重表征兩個(gè)維度進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)應(yīng)注重教學(xué)應(yīng)用。首先需體現(xiàn)“教-學(xué)-評(píng)”一體化的設(shè)計(jì)理念，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)不只是演示，更多的應(yīng)該是學(xué)習(xí)體驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)也不只是操作，更多的是思維提升^［2］；實(shí)驗(yàn)需要評(píng)價(jià)給予反饋，但更需要評(píng)價(jià)給予思考的方向。其次需體現(xiàn)學(xué)科育人的理念，包括基于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的美育、自制儀器動(dòng)手操作的勞育、關(guān)注思維提升解決問題的智育和關(guān)注思想品質(zhì)科學(xué)態(tài)度的德育四個(gè)方面。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1） 利用生活易得的素材改進(jìn)教材中的酸堿鹽主題實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)過程更直觀、安全，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更豐富。

（2） 超越教師演示，提供以學(xué)生為中心的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)思路。

（3） 在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上關(guān)注過程性評(píng)價(jià)，提供教、學(xué)、評(píng)一體化的設(shè)計(jì)思路。

3 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)中涉及的主要反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)：NaHCO+HCl====NaCl+HO+CO↑；

碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)：NaCO+2HCl====2NaCl+HO+CO↑；

碳酸氫鈉與醋酸反應(yīng)：NaHCO+CHCOOH====CHCOONa+HO+CO↑；

碳酸鈉與醋酸反應(yīng)：NaCO+2CHCOOH====2CHCOONa+HO+CO↑；

碳酸鈉溶液吸收CO：NaCO+HO+CO====2NaHCO。

紫甘藍(lán)汁是一種生活中常見的指示劑，在不同酸堿度溶液中呈現(xiàn)的顏色如表1所示^［3］。

4 實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象

4.1 教材實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

4.1.1 教材實(shí)驗(yàn)分析

人教版化學(xué)九年級(jí)（下冊）第十一單元課題1中涉及NaHCO、NaCO與鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。教師在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)可能會(huì)遇到以下三個(gè)問題：（1）反應(yīng)速率較快，導(dǎo)致混合物從試管中噴出。（2）反應(yīng)速率較快導(dǎo)致來不及將生成的氣體通入澄清石灰水中或沒有收集到足夠的氣體而看不到澄清石灰水變渾濁。（3）無法直觀比較NaHCO、NaCO與鹽酸反應(yīng)的劇烈程度。

4.1.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案

利用氣球、注射器、紫甘藍(lán)汁對教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)裝置如圖1所示。

4.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 分別量取5mL鹽酸于2支試管中，并加入15滴紫甘藍(lán)汁。

（2） 在氣球中分別加入0.5g NaHCO和NaCO固體，并將氣球套在試管口上。

（3） 將氣球中的固體同時(shí)傾倒入試管中。

（4） 用盛有20mL澄清石灰水的注射器抽取氣球中的氣體，振蕩。

4.1.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（1） 盛有碳酸氫鈉的氣球變大更快。

（2） 加入NaHCO和NaCO的試管中反應(yīng)后溶液顏色分別為紅色和藍(lán)色。

（3） 注射器中澄清石灰水變渾濁。

4.1.5 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 反應(yīng)過程中不會(huì)有混合物噴出。

（2） 用注射器抽取氣球中的氣體與澄清石灰水反應(yīng)，現(xiàn)象明顯，且無需考慮反應(yīng)太快問題。

（3） 通過氣球的變化能直觀比較NaHCO、NaCO與鹽酸反應(yīng)的劇烈程度。

（4） 加入紫甘藍(lán)汁，借助顏色變化可表現(xiàn)出反應(yīng)過程中溶液的酸堿性變化，并結(jié)合反應(yīng)后固體剩余情況進(jìn)行分析，可以引發(fā)更多的思考。

4.2 學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)

4.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

1mol/L醋酸、NaHCO、NaCO、紫甘藍(lán)汁、氣球、礦泉水瓶等

4.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 將25mL醋酸和2mL紫甘藍(lán)汁加入礦泉水瓶中（共10份）。

（2） 在一組氣球（5個(gè)）中分別加入0.70g、1.05g、2.10g、3.15g、4.20g的NaHCO，并將氣球分別套在上述5個(gè)礦泉水瓶口上。

（3） 在另一組氣球（5個(gè)）中分別加入0.44g、0.66g、1.33g、1.99g、2.65g的NaCO，并將氣球分別套在另外5個(gè)礦泉水瓶口上。

（4） 將氣球中的固體同時(shí)傾倒入礦泉水瓶中，振蕩。

上述每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，記錄NaHCO、NaCO與醋酸反應(yīng)前后氣球的變化，以及反應(yīng)30分鐘后的現(xiàn)象。

4.2.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見表2。

特殊現(xiàn)象：NaHCO和醋酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)束一段時(shí)間后，氣球無明顯變化，而NaCO和醋酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，最后一個(gè)氣球一段時(shí)間（約30分鐘）后有明顯變小的現(xiàn)象，且溶液由綠色逐漸變?yōu)樗{(lán)綠色。

4.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

定量分析（1）：通過稱量反應(yīng)前后裝置的總質(zhì)量，包括礦泉水瓶、NaHCO、NaCO固體、醋酸、氣球、生料帶（封口用）等所有實(shí)驗(yàn)用品。計(jì)算每套裝置反應(yīng)前后質(zhì)量的差值，即為生成CO的質(zhì)量。具體數(shù)據(jù)見表3。

根據(jù)所得數(shù)據(jù)繪制不同質(zhì)量的NaHCO、NaCO分別與等體積等濃度的醋酸反應(yīng)生成CO質(zhì)量的變化圖（如圖2所示）。

由圖像可知：隨著NaHCO質(zhì)量的增加，生成CO的質(zhì)量先增大后基本不變。隨著NaCO質(zhì)量的增加，生成CO的質(zhì)量先增大后減小。

NaHCO質(zhì)量為2.1g時(shí)與1.5g的醋酸恰好完全反應(yīng)，通過計(jì)算得出理論上生成CO的質(zhì)量為1.1g。在教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)測定值與理論值進(jìn)行比較，分析可能產(chǎn)生誤差的原因，如有少量反應(yīng)物固體留在氣球中、醋酸揮發(fā)等。

定量分析（2）：根據(jù)圖像從定量角度分析NaCO過量時(shí)氣球變小的原因，即裝置內(nèi)CO減少。

4.3 探究NaCO溶液吸收CO過程

2.65g NaCO與醋酸反應(yīng)后的裝置中有較多的固體殘留，液體呈綠色，說明NaCO濃度較高。一段時(shí)間后氣球明顯變小是否說明NaCO溶液也可以吸收CO？借助pH傳感器進(jìn)行深入探究。

4.3.1 實(shí)驗(yàn)用品

飽和NaCO溶液、CO、氣球、磁力攪拌器、三頸燒瓶、pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦等

4.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)裝置見圖3。

（1） 在三頸燒瓶中加入300mL飽和NaCO溶液。

（2） 在瓶口1、2處分別套上充有CO的氣球（氣球脖頸用細(xì)線扎緊）。

（3） 解開氣球1上的細(xì)線，讓CO將三頸燒瓶中的空氣排出，并用燃著的木條在瓶口3處驗(yàn)滿。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3a所示。

（4） 在瓶口3處塞上帶有pH傳感器的塞子，并將氣球1換成塞子，再解開氣球2的細(xì)線。

（5） 打開磁力攪拌器，并在電腦上點(diǎn)擊開始采集。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3b所示。

4.3.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

（1） 氣球現(xiàn)象及分析：實(shí)驗(yàn)中可以清晰地觀察到氣球逐漸變小、變癟，最后甚至進(jìn)入燒瓶中向內(nèi)鼓起，說明NaCO溶液可以吸收較多的CO，使瓶內(nèi)的壓強(qiáng)逐漸減小。

（2） 溶液pH變化及分析：溶液pH的數(shù)值由10.25逐漸減小至9.93，雖有減小但不明顯，如圖4所示。隨著反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，pH還在不斷下降。說明NaCO與CO、HO反應(yīng)生成了NaHCO。

5 學(xué)生實(shí)驗(yàn)活動(dòng)及評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)應(yīng)以學(xué)生為本，所以將單純演示NaHCO與酸的反應(yīng)，拓展為讓學(xué)生操作、思考和回答問題，并依據(jù)一定規(guī)則實(shí)施評(píng)價(jià)。除了傳感器之外，其他

均來自普通實(shí)驗(yàn)儀器或生活中的用品，安全、易得，便于學(xué)生自行探索或在課堂上通過教學(xué)互動(dòng)進(jìn)行考核。為了體現(xiàn)對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，在國外文獻(xiàn)^［4］的啟發(fā)下從“被反應(yīng)完的物質(zhì)、證據(jù)、推理”三個(gè)視角設(shè)計(jì)了評(píng)價(jià)量表（見表4），考察學(xué)生的觀察分析和證據(jù)推理能力。

6 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)是基于初中階段化學(xué)知識(shí)而設(shè)計(jì)的，綜合性較強(qiáng)，可以用于酸堿鹽的新課教學(xué)，也可以用于中考的復(fù)習(xí)課。如果將這個(gè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)延伸應(yīng)用到高中，還可以用pH傳感器檢測醋酸與碳酸鈉恰好反應(yīng)時(shí)溶液的pH，或者分析當(dāng)紫甘藍(lán)檢測為紫色時(shí)溶液實(shí)際的pH，可引導(dǎo)學(xué)生展開更多的實(shí)驗(yàn)探究。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國教育部制定.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：4.

［2］陳凱，馬忠杰，王小鋒.江蘇省中小學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Υ筚惛咧谢瘜W(xué)學(xué)科總決賽實(shí)驗(yàn)操作題命題特點(diǎn)分析［J］.化學(xué)教育（中英文），2024，45（7）：121～122.

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

［4］Walker J P，Sampson V，et al.. A Performance-Based Assessment for Limiting Reactants ［J］. Journal of Chemical Education，2011，（88）：1243～1246.