碳酸钠及碳酸氢钠性质实验装置改进与教学实践

陈秀娟 洪清娟

摘要： 以苏教版“碳酸钠与碳酸氢钠”为例，对不同版本新教材中碳酸钠、碳酸氢钠性质实验进行比较，查阅该性质实验的相关文献进行分析，深入理解实验教学功能，对碳酸钠、碳酸氢钠性质实验的相关试剂进行优化选择，设计实用性较强、更易推广的微型装置，适宜开展分组实验，使每个学生都有机会参与任务型的探究活动。

关键词： 碳酸钠; 碳酸氢钠; 实验装置改进; 实验教学功能

文章编号： 1005-6629（2021）09-0062-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

实验教学是培育学生获知明理、求实立德的重要途径。然而在实际的教学中，片面关注实验教学的基础认知功能，忽略实验教学方法、创新育人等隐性功能的现象还比较普遍。怎样从教师单纯教知识转化为让学生自主参与实验获取新知、感受实验的魅力、充分发挥化学实验的教学功能？本文试以苏教版“碳酸钠与碳酸氢钠”性质实验为例，对实验试剂、实验条件进行优化选择以缩短实验时间;设计适宜学生分组操作且具有创新性的微型化装置，让每个学生都有机会深入参与实验过程，在实验学习的体验中提升相应的学科核心素养。

1  碳酸钠、碳酸氢钠性质实验的现状分析

1.1  不同版本新教材中二者性质实验的比较

普通高中化学课程标准（2017年版）体系下的化学教科书呈现百家争鸣的现象。将不同版本的新教材中关于碳酸钠、碳酸氢钠的实验教学内容进行比较，发现存在一定的差异性。具体见表1。

2. 完善碳酸钠、碳酸氢钠性质比较表格的基础上，设计区别二者的实验方案。通过碳酸钠性质实验的探究，从类别角度归纳碳酸盐的通性，建立物质性质与用途有必然联系的认识。

鲁科版[3]必修第一册第1章微项目探秘膨松剂推测碳酸氢钠用作膨松剂的原理，设计探究碳酸氢钠化学性质的实验方案。在真实情境中体会研究陌生物质性质的方法和程序的实用价值。

在实际教学中，教师可针对学生的具体情况，博采众长，综合取舍不同版本教材中的实验，基于实验事实对比碳酸钠、碳酸氢钠的性质，发挥实验教学的不同功能。

1.2  二者性质实验教学功能分析

通过初中化学“生活中常见的盐”的学习，学生对于碳酸钠、碳酸氢钠的性质有了一定的认识。高中再次接触，教师可以引导学生从微观的角度来认识二者性质既具有相似性，又存在明显的差异性，在一定条件下二者可以相互转化。帮助学生在亲历实验的过程中，初步学会以微粒的视角透过实验现象看反应的本质，实现“宏—微—符”三重表征思维的自由切换并建立起关联，形成“结构决定性质，性质决定用途”的学科观念。碳酸钠、碳酸氢钠性质的实验教学既能为后续学习理解离子反应的实质提供事实佐证，同时让学生切身体会“实验是化学研究的重要手段和方法”。

1.3  相关性质实验改进的现状及分析

有关碳酸钠、碳酸氢钠性质实验改进的文献比较多。比如二者与盐酸反应的实验改进中，有分别从碳酸钠、碳酸氢钠溶液底部注入盐酸来探究二者与盐酸反应的本质[4];有利用针管实验定量比较碳酸钠和碳酸氢钠与稀盐酸反应生成CO2速度的快慢[5];还有通过手持技术探究碳酸钠与盐酸分步反应的机理[6]。

二者热稳定性对比实验中，主流的改进方案是套管实验;个别方案采用同时加热放在金属薄片上的碳酸钠、碳酸氢钠固体，用冷而干燥的烧杯罩在固体上方，利用烧杯收集反应产生的气体来检验二者的热稳定性[7];也有采取油浴加热代替酒精灯加热的方法[8]。

分析上述已有的改进实验，发现存在如下共同的问题： 多数实验装置比较复杂，有些方案对学生实验操作技能水平要求过高，不适宜学生的分组实验。针对以上的不足，笔者设计了一套微型化、简便化、易操作的实验新装置，既适宜学生开展分组对比实验，同时也能最大程度地发挥实验教学在提升学生化学学科核心素养方面的作用。

2  实验装置的新改进

2.1  碳酸钠、碳酸氢钠的溶解实验

苏教版关于碳酸钠、碳酸氢钠的水溶性对比是通过文本的形式直接提供，教材中并没有具体的相关实验。笔者参考人教版必修第一册第36页中碳酸钠、碳酸氢钠的溶解实验： 各取1g碳酸钠、碳酸氢钠，观察外观后滴几滴水，感受温度变化;继续加入5mL水，振荡。在实验操作过程中发现： 1g碳酸钠滴几滴水后立即结块，后续即使再加入10mL水，待完全溶解也需要4分鐘左右的时间，耗时太长。

经过反复实验，改为分别取0.5g碳酸钠、碳酸氢钠固体，滴几滴水感受温度变化后，继续加入5mL 25℃左右的温水再振荡。如此稍加改变，完成水溶性实验不到1分钟，大大节约了课堂时间，非常适宜学生的分组操作及教师的课堂演示。

2.2  碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应的实验

碳酸钠、碳酸氢钠与酸反应的教学功能在于通过辨识宏观现象的不同，初步尝试从微观角度分析反应的本质，所以实验的关键是能让学生真正观察和感受到碳酸钠与盐酸的反应是分步进行的，酸的量不同则产物也不同，而碳酸氢钠与盐酸的反应是一步到位的。基于教学功能作如下改进： 在两个干燥洁净的10mL青霉素瓶子中分别加入1mL滴有2～3滴酚酞的1mol/L碳酸钠、碳酸氢钠溶液;两支5mL注射器的针管中分别加入4mL 0.5mol/L的盐酸，针头穿过青霉素瓶橡胶塞。另取两支2.5mL注射器，针头穿过青霉素瓶橡胶塞。推动5mL的注射器往青霉素瓶子中逐滴滴加盐酸，待2.5mL注射器中的活塞上升后，将2.5mL注射器中收集到的气体注入到1mL的澄清石灰水中。实验装置如图1所示。

2.3  碳酸钠、碳酸氢钠热稳定性的实验

不管是新教材还是目前已有的改进实验，探究的都是二者固体的热稳定性，药品用量比较多且大多装置复杂。针对以上实验现状，笔者对实验试剂进行优化选择，对实验装置进行微型化改进。具体如下： 两个青霉素瓶子中分别加入3mL滴有2～3滴酚酞的饱和碳酸钠、碳酸氢钠溶液，各取一支2.5mL注射器穿过青霉素瓶子的胶塞，实验装置如图2所示。将图2装置放入装有90℃热水的烧杯中，待2.5mL注射器中的活塞上升后，将收集到的气体推入到1mL的澄清石灰水中。

3  基于发挥实验教学功能的教学设计

结合碳酸钠、碳酸氢钠在生产生活中的广泛用途，创设真实情境下的具体探究问题，在任务型的问题驱动下学生利用改进后的装置开展实验为主的探究活动。通过相应的探究活动感悟碳酸钠、碳酸氢钠性质的差异及相互转化的方法。

任务一： 寻找身边的碳酸钠、碳酸氢钠

学生展示课前收集到的含碳酸钠、碳酸氢钠的生活物品，并说出该物品的主要成分。教师根据学生展示的情况进行适当补充： 苏打饼干、胃药、去污粉、干粉灭火器等。

[问题1]含碳酸钠的去污粉为什么可以去污？碳酸钠为什么俗称纯碱？根据碳酸钠、碳酸氢钠的组成与类别，预测二者的性质。

[学生]碳酸钠水溶液呈碱性。纯碱不是碱，属于盐，可以与某些盐、碱、酸反应。

[追问]二者与盐、碱、酸的反应属于哪种基本反应类型？你能否根据该类反应的特征选择具体的试剂，同时设计相关实验验证你的预测？

[学生]属于复分解反应，选择的酸其酸性应比碳酸强，采用的碱或盐应能与碳酸钠生成沉淀。选择的具体试剂及对应的预测结果见表2。

设计意图： 加深化学与生活密切联系的认识。为建构形成“结构决定性质，性质决定用途”的学科观念埋下伏笔。

任务二： 感受碳酸钠、碳酸氢钠性质的异同

[活动探究1]分别取0.5g的碳酸钠、碳酸氢钠，观察它们外观的细微差别，滴几滴水，用手触摸试管底部。再向试管中加入25℃左右的温水，用力振荡。取溶解后的碳酸钠、碳酸氢钠溶液各1mL，分别滴加1～2滴酚酞溶液，观察现象。

实验现象： 滴加水后碳酸钠固体立即结块，试管底部触感温热，加入温水后固体全部溶解且溶液变为深红色;滴加水后装有碳酸氢钠固体的试管底部触感冰凉，加入温水后固體部分溶解且溶液为浅红色。

设计意图： 简单的水溶性实验，目的在于关注学生实验过程中的学习体验而非单纯记住知识本体。通过实验过程的变化，既体现了实验的认知功能，也提升了学生的观察能力。

任务三： 对比碳酸钠、碳酸氢钠性质

[活动探究2]取1mL澄清的石灰水、氯化钙溶液各2份于四支洁净的试管中，滴加活动探究1中获得的碳酸钠、碳酸氢钠溶液，观察现象。

[学生1]澄清石灰水、氯化钙溶液中分别滴加碳酸钠后均有白色沉淀产生;往澄清石灰水中滴加碳酸氢钠也出现白色沉淀，而氯化钙溶液滴加碳酸氢钠无明显现象。

[学生2]四支试管均出现白色沉淀。

[教师]碳酸氢钠在水中电离产生Na+与HCO-3。HCO-3能与碱电离出的OH-反应，所以澄清石灰水与碳酸氢钠溶液混合后有白色沉淀产生，该反应的化学方程式与二者的量有关，目前不作要求。而氯化钙溶液中分别滴加碳酸钠、碳酸氢钠，不同组的实验现象不同，其原因和你们实验用到的氯化钙溶液浓度有关，涉及的原理有待于我们后续学习。

[问题2]根据你们的预测，碳酸钠、碳酸氢钠都能与盐酸反应。为什么治疗胃酸过多的药物成分用的是碳酸氢钠？

[学生]碱性不同，碳酸钠溶液碱性更强。

[学生]与酸反应是不是也有不同？

[教师]介绍上述图1的实验装置，指导学生实验过程中要逐滴滴加盐酸。

[活动探究3]利用图1的实验装置探究碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸的反应。

实验现象： 滴有酚酞的碳酸钠逐滴滴加盐酸后，溶液由红色慢慢变为浅红色，过程中无气泡产生。继续滴入盐酸，溶液由浅红色慢慢变成无色，且过程中有大量气泡产生。

滴有酚酞的碳酸氢钠溶液滴加盐酸后，立即有大量气泡产生，溶液由浅红色变成无色。

[问题]碳酸钠在水溶液中主要以什么离子存在？请写出电离方程式。

[学生]Na2CO32Na++CO2-3。

[教师]已知Na2CO3溶液显碱性是由于CO2-3与水的作用，含酚酞的Na2CO3红色溶液加入盐酸后溶液颜色变为浅红，说明了什么？（展示滴有酚酞碳酸氢钠溶液的试管，让学生进行对比）

[学生]CO2-3被H+消耗。

[追问]红色溶液转变为浅红色的过程中并没有气体产生，此时CO2-3与H+结合生成什么粒子？继续加入盐酸后又为什么会产生气体？

[学生]红色溶液转变为浅红色是生成HCO-3，浅红色变无色的过程中HCO-3与H+反应生成CO2。

[教师]通过以上微观过程的分析，你能写出往碳酸钠溶液中缓慢滴加盐酸的过程中涉及的化学方程式吗？

[学生]Na2CO3+HClNaCl+NaHCO3;

NaHCO3+HClNaCl+H2O+CO2↑。

[教师]多元弱酸的正盐与强酸反应是分步进行的。

设计意图： 基于实验变化的过程，引发学生的认知冲突。从微观离子的角度帮助学生认识碳酸钠、碳酸氢钠性质的差异。通过水溶液中存在哪些微粒、微粒相互作用能引起怎样的变化、变化造成什么结果等问题的逐步分析与解决，发展学生认识物质及其转化的变化观念，建立“宏—微—符”三重表征的有机联系。

任务四： 碳酸钠、碳酸氢钠相互转化

[问题3]CO2-3与HCO-3都能结合强酸中的H+生成CO2，那二者能结合碳酸中的H+吗？

[演示实验]往2个200mL的软质矿泉水瓶中各倒入100mL的“七喜”碳酸饮料，再分别迅速加入4g的碳酸钠、碳酸氢钠固体粉末，拧紧瓶盖，用力摇晃瓶子。

[学生]倒入碳酸钠固体的瓶子慢慢變瘪;倒入碳酸氢钠固体的瓶子鼓鼓的，打开瓶盖，发出“砰”的响声。

[教师]你们能解释以上现象不同的原因吗？

[学生]倒入碳酸钠固体，反应后瓶子内压强变小所以慢慢变瘪;倒入碳酸氢钠固体，反应生成气体压强增大所以变鼓。

[教师]“七喜”中含柠檬酸，遇碳酸氢钠生成二氧化碳。而“七喜”碳酸饮料中倒入碳酸钠固体，二氧化碳不增反减，二氧化碳哪去了？你们能参考碳酸钠与盐酸反应的过程，书写瓶子变瘪过程的化学方程式吗？

[学生]Na2CO3+H2O+CO22NaHCO3。

[教师]二元弱酸的正盐遇酸能生成酸式盐。

[问题4]碳酸氢钠是苏打水、苏打饼干的重要添加剂。在苏打饼干的烘焙过程中碳酸氢钠起什么作用？苏打饼干中的气孔是怎么产生的？

[学生]烘焙过程中碳酸氢钠分解生成气体逸出使饼干酥松多孔。

[活动探究4]利用上述图2的实验装置探究碳酸钠、碳酸氢钠溶液的热稳定性。

实验现象： 2.5mL针管中的活塞都上升，且装有饱和碳酸氢钠溶液的青霉素瓶塞上针管活塞上升得更快。把针管内的气体分别推入到1mL的澄清石灰水中，饱和碳酸钠实验的针管收集到的气体遇澄清石灰水无明显现象，饱和碳酸氢钠实验的针管收集到的气体能使澄清石灰水变浑浊。

[问题5]是什么原因导致两个瓶塞上的针筒都上升？

[学生]碳酸氢钠不稳定，加热分解生成二氧化碳气体。装有饱和碳酸钠溶液的青霉素瓶瓶塞上的针管活塞上升是因为空气受热膨胀，并没有分解生成二氧化碳。

设计意图： 通过建立实验现象与结论间的逻辑关系，培养学生证据推理能力，同时借助实验养成求真务实、勇于创新的科学态度。

任务五： 碳酸钠、碳酸氢钠的实际应用

[学生]解释去污粉去污原理、碳酸氢钠治疗胃酸过多的原因。

[教师]展示资料： 或可用碳酸氢钠靶向治疗骨质疏松症。

设计意图： 感受或体验化学学科的实用性，培养学生将化学知识应用到生活和生产中的意识。

4  实验改进的反思

实验的改进与创新的探究是实验教学研究的重要部分。通过实验改进，笔者有几点思考。

4.1  把握教学功能是实验改进的价值前提

实验教学应该承担教学的知识本体价值和素养发展价值。在理解实验教学价值基础上的实验改进，才能发挥化学实验的最大功效[9]。忽略实验教学功能的实验改进犹如失去罗盘的航船，容易迷失方向。本文通过碳酸钠、碳酸氢钠实验试剂及条件等的优化选择、实验装置的微型化创新设计，让学生在亲历碳酸钠、碳酸氢钠性质对比实验的过程中，深化对知识的本体理解，强化微粒观、实验观的培育。

4.2  简约微型化是实验改进的重要趋势

宋心琦先生提倡用简单易行的技术或装置，既能激发学生的科学学习兴趣和创造热情，又可以把实验过程观察得更为细致，从而进一步推动学生对化学及相关学科的学习[10]。目前许多农村中学实验器材的缺乏是制约实验实施的一个重要因素。利用生活中常见的注射器、青霉素小瓶子等不仅解决了实验器材缺乏的问题，也启迪了学生的创新思维。同时，简单且便于操作的实验仪器也比较适宜学生的分组实验，实用性强，更易推广。

4.3  以学生为本是实验改进的基本原则

从学生的认知角度出发，以学生为本是实验改进的基本原则。碳酸钠与盐酸分步反应的机理以及碳酸钠溶液能够吸收二氧化碳的知识点仅靠文本信息是很难解决学生的认知障碍的。本次改进实验在碳酸钠与盐酸的反应中加入酚酞指示剂，可将学生对微观变化的想象可视化;把碳酸钠与碳酸饮料反应的体系转移到软质矿泉水瓶中，让内隐的反应原理显性化。

参考文献：

[1]王晶， 毕华林主编. 化学必修第一册[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019： 36～37.

[2]王祖浩主编. 化学必修第一册[M]. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2020： 70～73.

[3]王磊主编. 化学必修第一册[M]. 济南： 山东科学技术出版社， 2019： 32～35.

[4][7]周存军. 谈探究碳酸钠性质实验的创新[J]. 化学教学， 2014， （5）： 50～51.

[5][6]符吉霞， 丁伟. 碳酸钠和碳酸氢钠与稀盐酸反应的创新实验设计及教学应用[J]. 教育与装备研究， 2020， （2）： 28～32.

[8]伍强， 黄晶， 杜金铃. 基于对比实验和创新实验的化学教学——以“碳酸钠和碳酸氢钠”的教学为例[J]. 化学教学， 2017， （4）： 59～63.

[9]肖中荣， 周萍. 再谈碳酸钠和盐酸反应的实验改进[J]. 化学教学， 2019， （10）： 54～57.

[10]宋心琦. 有关化学实验改革的想法与建议[J]. 化学教育， 2001， （3）： 36～38.