“驗(yàn)證二氧化碳和氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)”的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

周文榮++錢麗

摘要：利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，采用氣壓、二氧化碳濃度、溫度、pH四種傳感器分別測量氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)過程中四者的變化，減少多次重復(fù)操作，簡化實(shí)驗(yàn)操作步驟，節(jié)約實(shí)驗(yàn)藥品，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的綠色化及反應(yīng)過程中氣壓、二氧化碳濃度、溫度三者的同步變化，拓展探究“無明顯現(xiàn)象的反應(yīng)”的多維視角，體現(xiàn)初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代、從靜態(tài)走向動(dòng)態(tài)、從定性走向定量的走向。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；綠色化；同步變化；多維視角

文章編號(hào)：1008-0546（2017）07-0096-02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.030

氫氧化鈉和二氧化碳的反應(yīng)是初中化學(xué)非常重要的一個(gè)反應(yīng)，滬教版的初中化學(xué)教材中并未編寫相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來探究該反應(yīng)的發(fā)生。很多一線化學(xué)教師進(jìn)行了大量的研究，例如檢驗(yàn)產(chǎn)物碳酸鈉法、噴泉法、瓶子或氣球變癟法、瓶吞雞蛋法等，給我們提供了很好的學(xué)習(xí)和借鑒的機(jī)會(huì)，但這些研究主要指向于對(duì)產(chǎn)物碳酸鈉的檢驗(yàn)以及氣體壓強(qiáng)的變化，在不同反應(yīng)物濃度的變化、反應(yīng)能量的變化方面還存在很大的探究空間。本實(shí)驗(yàn)采用氣壓、二氧化碳濃度、溫度、pH四種傳感器分別測量氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)過程中四者的變化，從多個(gè)視角來探究該反應(yīng)的發(fā)生。

一、儀器藥品

1. 儀器

實(shí)驗(yàn)一：

分液漏斗、錐形瓶、導(dǎo)管、橡皮塞、四頸燒瓶（如圖1）及配套橡膠塞、注射器（60mL）、氣壓傳感器、二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦

實(shí)驗(yàn)二：

分液漏斗、錐形瓶、導(dǎo)管、橡皮塞、燒杯、pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦

2. 藥品：氫氧化鈉溶液、石灰石、稀鹽酸

二、實(shí)驗(yàn)裝置圖

三、實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)一：

二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)使四頸燒瓶內(nèi)二氧化碳?xì)怏w濃度不斷減小，氣壓逐漸變小，溫度逐漸升高。通過二氧化碳濃度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器同時(shí)采集數(shù)據(jù)繪制成三條變化曲線。再通過對(duì)比二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)、二氧化碳與水反應(yīng)三條曲線的變化趨勢(shì)得出結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)二：

二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)使得氫氧化鈉濃度不斷減小，通過pH傳感器采集數(shù)據(jù)繪制成pH變化曲線。通過分析pH曲線變化趨勢(shì)得出結(jié)論。

四、操作要點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)一：

1. 清洗傳感器并進(jìn)行校準(zhǔn)。

2. 在四頸燒瓶中收集滿二氧化碳，將裝有50mL濃氫氧化鈉溶液的注射器、二氧化碳濃度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器分別與四頸燒瓶相連，同時(shí)將傳感器、采集器、電腦連接好，設(shè)置好采集頻率、采集時(shí)間。

3. 將氫氧化鈉溶液全部推入四頸燒瓶中，點(diǎn)擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

4. 將注射器中的氫氧化鈉溶液換成等量的水重復(fù)上面的操作。

實(shí)驗(yàn)二：

1. 清洗傳感器并進(jìn)行校準(zhǔn)。

2. 在錐形瓶和分液漏斗中加適量大理石和稀鹽酸，將pH傳感器、裝有氫氧化鈉溶液的錐形瓶、數(shù)據(jù)采集器及電腦連接好，設(shè)置好采集頻率、采集時(shí)間。

3. 打開分液漏斗活塞，把稀鹽酸滴入錐形瓶中，點(diǎn)擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

說明：基于初中學(xué)生的已有基礎(chǔ)，同時(shí)考慮到在課上演示的實(shí)驗(yàn)效果，本實(shí)驗(yàn)使用pH在12-13之間的氫氧化鈉溶液。

五、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

1. 實(shí)驗(yàn)一（如圖4）由二氧化碳濃度傳感器、氣壓傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷下降的趨勢(shì)，且二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)比二氧化碳與水反應(yīng)變化更明顯；由溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷上升的趨勢(shì)，且二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)比二氧化碳與水反應(yīng)變化更明顯。上述兩個(gè)現(xiàn)象從反應(yīng)物二氧化碳濃度的減少及能量變化的視角說明了二氧化碳和氫氧化鈉發(fā)生了反應(yīng)，而不僅僅是與水發(fā)生了反應(yīng)。（說明：目前中學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用的各種品牌的二氧化碳傳感器量程最大為100000ppm，所以一開始二氧化碳濃度和時(shí)間曲線看似沒有變化，實(shí)際上也是呈不斷下降趨勢(shì)的。）

2. 實(shí)驗(yàn)二（如圖5）由pH傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷下降的趨勢(shì)。此現(xiàn)象從另一個(gè)反應(yīng)物氫氧化鈉中氫氧根離子濃度減少的視角說明了二氧化碳和氫氧化鈉發(fā)生了反應(yīng)。

六、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處

1. 改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的綠色化

四頸燒瓶的使用，通過一次實(shí)驗(yàn)完成了氣壓、二氧化碳濃度、溫度三者變化的測定，減少了用抽濾瓶、三頸燒瓶作為反應(yīng)裝置時(shí)的多次重復(fù)操作，簡化了實(shí)驗(yàn)操作步驟，節(jié)約了藥品，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的綠色化。

2. 實(shí)現(xiàn)了觀察氣壓、二氧化碳濃度、溫度同步變化

用抽濾瓶作為反應(yīng)裝置時(shí)，只能單一地觀察到氣壓、二氧化碳濃度、溫度某一方面的變化，通過此實(shí)驗(yàn)一的裝置，可以清晰地觀察到反應(yīng)過程中氣壓、二氧化碳濃度、溫度三者的同步變化。

3. 拓展了探究“無明顯現(xiàn)象的反應(yīng)”的視角

一線教師已有的研究主要集中在對(duì)產(chǎn)物碳酸鈉的檢驗(yàn)以及氣體壓強(qiáng)的視角上，本實(shí)驗(yàn)從不同的反應(yīng)物（二氧化碳、氫氧化鈉）以及反應(yīng)物濃度（二氧化碳濃度、氫氧根離子的濃度）、化學(xué)反應(yīng)能量的視角進(jìn)行了拓展，完善了從反應(yīng)物的減少、生成物的產(chǎn)生、反應(yīng)能量的變化來探究“無明顯現(xiàn)象的反應(yīng)”的多維視角。

4. 體現(xiàn)了初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的三個(gè)走向

通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，體現(xiàn)了初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代；通過電腦曲線隨時(shí)間的不斷變化，體現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)從靜態(tài)走向動(dòng)態(tài)；通過從開始到結(jié)束，數(shù)據(jù)的不斷變化，體現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)從定性走向定量。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚秋玲，王鋒.空氣中氧氣含量測定實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教學(xué)，2017（3）：72-74

[2] 陳怡.二氧化碳系列實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新改進(jìn) [J].化學(xué)教育，2017（3）：65-67

[3] 畢文杰，邊賀東.利用手持技術(shù)探究“過氧化氫分解制取氧氣”實(shí)驗(yàn)[J].化學(xué)教育，2017（5）：73-75

[4] 趙永勝，朱莉.驗(yàn)證二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案[J].化學(xué)教與學(xué)，2013（12）：85-88

[5] 朱志平.數(shù)字化學(xué)習(xí)論[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2016：87-128