“验证二氧化碳和氢氧化钠发生反应”的数字化实验设计

周文荣++钱丽

摘要：利用数字化实验，采用气压、二氧化碳浓度、温度、pH四种传感器分别测量氢氧化钠与二氧化碳反应过程中四者的变化，减少多次重复操作，简化实验操作步骤，节约实验药品，实现实验的绿色化及反应过程中气压、二氧化碳浓度、温度三者的同步变化，拓展探究“无明显现象的反应”的多维视角，体现初中化学实验从传统走向现代、从静态走向动态、从定性走向定量的走向。

关键词：数字化实验；绿色化；同步变化；多维视角

文章编号：1008-0546（2017）07-0096-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.030

氢氧化钠和二氧化碳的反应是初中化学非常重要的一个反应，沪教版的初中化学教材中并未编写相关的实验来探究该反应的发生。很多一线化学教师进行了大量的研究，例如检验产物碳酸钠法、喷泉法、瓶子或气球变瘪法、瓶吞鸡蛋法等，给我们提供了很好的学习和借鉴的机会，但这些研究主要指向于对产物碳酸钠的检验以及气体压强的变化，在不同反应物浓度的变化、反应能量的变化方面还存在很大的探究空间。本实验采用气压、二氧化碳浓度、温度、pH四种传感器分别测量氢氧化钠与二氧化碳反应过程中四者的变化，从多个视角来探究该反应的发生。

一、仪器药品

1. 仪器

实验一：

分液漏斗、锥形瓶、导管、橡皮塞、四颈烧瓶（如图1）及配套橡胶塞、注射器（60mL）、气压传感器、二氧化碳浓度传感器、温度传感器、数据采集器、电脑

实验二：

分液漏斗、锥形瓶、导管、橡皮塞、烧杯、pH传感器、数据采集器、电脑

2. 药品：氢氧化钠溶液、石灰石、稀盐酸

二、实验装置图

三、实验原理

实验一：

二氧化碳与氢氧化钠溶液反应使四颈烧瓶内二氧化碳气体浓度不断减小，气压逐渐变小，温度逐渐升高。通过二氧化碳浓度传感器、气压传感器、温度传感器同时采集数据绘制成三条变化曲线。再通过对比二氧化碳与氢氧化钠反应、二氧化碳与水反应三条曲线的变化趋势得出结论。

实验二：

二氧化碳与氢氧化钠溶液反应使得氢氧化钠浓度不断减小，通过pH传感器采集数据绘制成pH变化曲线。通过分析pH曲线变化趋势得出结论。

四、操作要点

实验一：

1. 清洗传感器并进行校准。

2. 在四颈烧瓶中收集满二氧化碳，将装有50mL浓氢氧化钠溶液的注射器、二氧化碳浓度传感器、气压传感器、温度传感器分别与四颈烧瓶相连，同时将传感器、采集器、电脑连接好，设置好采集频率、采集时间。

3. 将氢氧化钠溶液全部推入四颈烧瓶中，点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮，观察电脑屏幕上的曲线变化。

4. 将注射器中的氢氧化钠溶液换成等量的水重复上面的操作。

实验二：

1. 清洗传感器并进行校准。

2. 在锥形瓶和分液漏斗中加适量大理石和稀盐酸，将pH传感器、装有氢氧化钠溶液的锥形瓶、数据采集器及电脑连接好，设置好采集频率、采集时间。

3. 打开分液漏斗活塞，把稀盐酸滴入锥形瓶中，点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮，观察电脑屏幕上的曲线变化。

说明：基于初中学生的已有基础，同时考虑到在课上演示的实验效果，本实验使用pH在12-13之间的氢氧化钠溶液。

五、实验现象与结论

1. 实验一（如图4）由二氧化碳浓度传感器、气压传感器采集的数据绘制成的曲线呈不断下降的趋势，且二氧化碳与氢氧化钠反应比二氧化碳与水反应变化更明显；由温度传感器采集的数据绘制成的曲线呈不断上升的趋势，且二氧化碳与氢氧化钠反应比二氧化碳与水反应变化更明显。上述两个现象从反应物二氧化碳浓度的减少及能量变化的视角说明了二氧化碳和氢氧化钠发生了反应，而不仅仅是与水发生了反应。（说明：目前中学实验室使用的各种品牌的二氧化碳传感器量程最大为100000ppm，所以一开始二氧化碳浓度和时间曲线看似没有变化，实际上也是呈不断下降趋势的。）

2. 实验二（如图5）由pH传感器采集的数据绘制成的曲线呈不断下降的趋势。此现象从另一个反应物氢氧化钠中氢氧根离子浓度减少的视角说明了二氧化碳和氢氧化钠发生了反应。

六、实验创新之处

1. 改进了实验装置，实现了实验的绿色化

四颈烧瓶的使用，通过一次實验完成了气压、二氧化碳浓度、温度三者变化的测定，减少了用抽滤瓶、三颈烧瓶作为反应装置时的多次重复操作，简化了实验操作步骤，节约了药品，实现了实验的绿色化。

2. 实现了观察气压、二氧化碳浓度、温度同步变化

用抽滤瓶作为反应装置时，只能单一地观察到气压、二氧化碳浓度、温度某一方面的变化，通过此实验一的装置，可以清晰地观察到反应过程中气压、二氧化碳浓度、温度三者的同步变化。

3. 拓展了探究“无明显现象的反应”的视角

一线教师已有的研究主要集中在对产物碳酸钠的检验以及气体压强的视角上，本实验从不同的反应物（二氧化碳、氢氧化钠）以及反应物浓度（二氧化碳浓度、氢氧根离子的浓度）、化学反应能量的视角进行了拓展，完善了从反应物的减少、生成物的产生、反应能量的变化来探究“无明显现象的反应”的多维视角。

4. 体现了初中化学实验的三个走向

通过数字化实验的应用，体现了初中化学实验从传统走向现代；通过电脑曲线随时间的不断变化，体现了化学实验从静态走向动态；通过从开始到结束，数据的不断变化，体现了化学实验从定性走向定量。

参考文献

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[2] 陈怡.二氧化碳系列实验创新改进 [J].化学教育，2017（3）：65-67

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