雙水解反應(yīng)的可視化創(chuàng)新實驗設(shè)計

朱彥博 劉業(yè)涵 任紅艷

摘要： 針對傳統(tǒng)雙水解反應(yīng)教學(xué)中存在的缺陷，對雙水解反應(yīng)實驗進行改進，設(shè)計了傳統(tǒng)改進型、直接滴加型和兩滴相遇型三種實驗方案。將其應(yīng)用于觀察Al2（SO4）3溶液與Na2CO3溶液的雙水解反應(yīng)中，取得了很好的實驗效果，并建立了相關(guān)的反應(yīng)模型。有助于培養(yǎng)學(xué)生控制變量的研究思想以及證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 雙水解反應(yīng); 可視化; 碳酸鈉與硫酸鋁; 創(chuàng)新實驗

文章編號： 10056629（2022）07005705

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 引言

在魯科版高中化學(xué)教材選擇性必修一《化學(xué)反應(yīng)原理》中以泡沫滅火器為情境，介紹了HCO-3與Al3+的雙水解反應(yīng)。雙水解作為一種特殊的水解反應(yīng)，是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重點之一。高中化學(xué)課程標準中對水解平衡的要求是讓學(xué)生認識鹽類水解的原理和影響鹽類水解的主要因素[1]，而雙水解反應(yīng)中所蘊含的水解平衡、平衡移動以及產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象等知識，對培養(yǎng)學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”兩大核心素養(yǎng)均有很大幫助。

查閱近年來對雙水解反應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)主要集中于探究反應(yīng)產(chǎn)物[2，3]以及能否反應(yīng)[4]等問題上，缺乏對實驗現(xiàn)象可視化方面的思考。筆者認為主要原因在于雙水解反應(yīng)的現(xiàn)象大都比較“明顯”。以碳酸鈉與硫酸鋁溶液反應(yīng)為例，將兩者混合可以觀察到快速產(chǎn)生的白色沉淀和細小氣泡。但是，細小氣泡摻雜于大量白色沉淀中其實是不太容易被察覺的，另外，由于反應(yīng)物加量不同而引起的實驗現(xiàn)象的差異等情況更不易被主動發(fā)現(xiàn)。而這些都是可促使學(xué)生深度思考、發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)的極好素材。

為創(chuàng)設(shè)更具化學(xué)學(xué)科思維深度的實驗情境，更清晰地觀察實驗現(xiàn)象并獲取更多的實驗證據(jù)，以碳酸鈉與硫酸鋁溶液反應(yīng)為例，針對該實驗存在的“現(xiàn)象不夠清晰”“現(xiàn)象之間有干擾”“無法反映加量不同所引起的變化”等缺陷，設(shè)計了三種實驗方案： 傳統(tǒng)改進型、直接滴加型和兩滴相遇型。從試劑用量的改變、微距鏡頭的使用、多變量的同步一體化設(shè)計等多個角度進行實驗探究。

2 實驗設(shè)計

Al3+和CO2-3的反應(yīng)是典型的雙水解反應(yīng)，本文選用十二水硫酸鋁和碳酸鈉固體分別配制溶液進行反應(yīng)，涉及的離子方程式主要有：

Al3++3H2OAl（OH）3+3H+ ①

CO2-3+2H2OH2CO3+2OH-②

CO2-3+H2OHCO-3+OH-③

HCO-3+H2OH2CO3+OH-④

H++OH-H2O⑤

CO2+CO2-3+H2O2HCO-3⑥

2.1 傳統(tǒng)改進型

傳統(tǒng)的雙水解實驗是將碳酸鈉溶液與硫酸鋁溶液直接混合。比較常見的操作是，在試管中加入1～2mL的某種溶液，用膠頭滴管吸取適量的另一種溶液，逐滴加入到試管中，觀察現(xiàn)象。但這樣的實驗存在兩個缺陷： 一是氣泡摻雜于沉淀中，不易觀察;二是難以觀察到生成的產(chǎn)物在振蕩試管后發(fā)生的變化，錯失了更多的實驗證據(jù)。傳統(tǒng)改進型主要針對第二個缺陷，只將1滴溶液滴入1～2mL的另一種溶液中，既能看到原有反應(yīng)現(xiàn)象，也便于觀察生成的產(chǎn)物在振蕩試管后發(fā)生的變化。

2.1.1 實驗方案

實驗方案如圖1所示。

2.1.2 實驗材料

試管兩支、0.4mol/L Al2（SO4）3溶液和1.2mol/L Na2CO3溶液（濃度可以適當變化，但確保兩者濃度之比為化學(xué)計量數(shù)之比1∶3即可，下文同）、一次性塑料滴管兩支

2.1.3 實驗步驟

如圖1（實驗1）所示，在試管中加入1～2mL的Al2（SO4）3溶液，用塑料滴管吸取少量Na2CO3溶液，向試管中滴加1滴，觀察現(xiàn)象。振蕩試管，再觀察現(xiàn)象。實驗2將兩種溶液對調(diào)即可。

2.1.4 實驗現(xiàn)象與結(jié)果分析

剛滴加溶液時，在兩個實驗中均可以看到試管中溶液的上方出現(xiàn)白色絮狀沉淀，但因為少量微小無色氣泡摻雜在白色沉淀中，需要仔細觀察才可以看到。由反應(yīng)①可知，Al3+水解呈酸性，由反應(yīng)②可知，CO2-3水解呈堿性，兩個溶液混合后CO2-3水解生成的OH-和Al3+水解生成的H+結(jié)合生成難電離的水，破壞了兩種物質(zhì)的水解平衡，于是促進了兩種鹽的進一步水解，生成白色絮狀沉淀Al（OH）3和H2CO3，H2CO3不穩(wěn)定分解生成無色氣泡CO2。雖然據(jù)研究表明在CO2-3過量時生成的白色沉淀應(yīng)為含少量碳酸根的氧化鋁水合物[5]，但主要成分仍為Al（OH）3，故本文中將其按Al（OH）3考慮，下文同。

實驗1中，輕輕振蕩試管，沉淀散開，溶液中出現(xiàn)較多微小氣泡。絮狀沉淀松散而不緊密，因而在振蕩后會散開，散開后未反應(yīng)完的Na2CO3進入過量Al2（SO4）3溶液中，繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)①和②，故出現(xiàn)較多微小氣泡，但沉淀的量卻并無肉眼可見的增加。再振蕩幾次，白色沉淀快速消失，微小氣泡數(shù)量變多并不斷向上移動。沉淀的消失是由于其溶解于Al3+水解產(chǎn)生的酸性環(huán)境中。據(jù)研究表明，當pH<3.4時，Al（OH）3可溶解生成Al3+[6]，用精密pH試紙測得0.4mol/L Al2（SO4）3溶液的pH約為2.5（理論計算pH為2.70），故沉淀可溶解。而CO2在酸性環(huán)境中易于生成，故氣泡數(shù)量變多。

實驗2中，輕輕振蕩試管，沉淀散開，剛開始產(chǎn)生的微小氣泡消失。松散的絮狀沉淀在振蕩后散開，剛開始產(chǎn)生的CO2進入到過量的Na2CO3溶液中，發(fā)生反應(yīng)⑥，故消失。而之所以剛開始會產(chǎn)生氣泡，猜測是剛滴下溶液的交界處暫時形成了一個偏酸性的環(huán)境，因而CO2可以生成。繼續(xù)振蕩，溶液中沉淀的數(shù)量隨著振蕩次數(shù)的增加漸漸減少，直至最終消失，過程中未觀察到有氣泡生成。沉淀散開后，未反應(yīng)完的Al2（SO4）3進入過量Na2CO3溶液中，由于CO2-3過量，此時發(fā)生反應(yīng)①和③，故不再產(chǎn)生氣泡。而沉淀的消失是由于其溶解于CO2-3水解產(chǎn)生的堿性環(huán)境中，據(jù)研究表明，當pH>12時，Al（OH）3可溶解生成AlO-2[7]，用精密pH試紙測得1.2mol/L Na2CO3溶液的pH約為12.5（理論計算pH為12.16），故沉淀可溶解。分析比較實驗1和實驗2中沉淀的溶解速率，發(fā)現(xiàn)在OH-濃度比H+濃度更高的情況下，Al（OH）3的溶解速率反而更慢，可以說明Al（OH）3在等濃度的酸中的反應(yīng)速率要比堿中更快一些。

2.1.5 反思

傳統(tǒng)改進型能夠觀察到白色沉淀和無色氣泡在振蕩試管后發(fā)生的變化，但由于無色氣泡會摻雜在白色沉淀中，故剛開始滴加時現(xiàn)象不夠清晰，需要仔細觀察才能發(fā)現(xiàn)細微現(xiàn)象，而且試劑的用量也比較大。

2.2 直接滴加型

為了解決氣泡摻雜在沉淀中無法觀察清晰的問題，設(shè)計了“直接滴加型”實驗方案。取約8滴某溶液（如圖2所示匯聚成一大滴）和1～2滴另一種溶液（滴數(shù)可以適當變化，確保其中一種溶液過量即可），在載玻片或者塑料板上進行實驗，并用微距鏡頭結(jié)合手機進行拍攝，將實驗現(xiàn)象放大以清晰觀察。在教學(xué)中可以采取先讓學(xué)生猜測實驗現(xiàn)象，再親自動手實驗，最后解釋實驗現(xiàn)象的引導(dǎo)方式，激發(fā)他們的思考，培養(yǎng)他們科學(xué)探究能力和創(chuàng)新意識。

2.2.1 實驗方案

2.2.2 實驗材料

鐵架臺、塑料尺、黑色卡紙、十字夾、試管夾、升降臺、手機、微距鏡頭（本文中使用放大倍數(shù)為28倍的微距鏡頭，下文同）、塑料滴管、Al2（SO4）3溶液和Na2CO3溶液

2.2.3 實驗步驟

實驗3中，先用鐵架臺和十字夾將試管夾固定起來，把塑料尺夾在試管夾上，并保持其與桌面水平。如圖2所示，用滴管在塑料尺上滴約8滴Al2（SO4）3溶液（匯聚成一大滴），將裝有微距鏡頭的手機放置于升降臺上，通過調(diào)節(jié)升降臺的高度調(diào)整手機鏡頭的位置，使鏡頭與液滴剛好對焦，屏幕中能夠顯示出一個完整的液滴。打開手機錄像鍵，用另一支滴管吸取Na2CO3溶液，直接伸到大液滴的正上方，滴加1～2滴Na2CO3溶液，錄下反應(yīng)視頻。實驗4換成在約8滴Na2CO3溶液上滴加1～2滴Al2（SO4）3溶液。其余步驟相同。

2.2.4 實驗現(xiàn)象與結(jié)果分析

實驗3中，以在約8滴0.3mol/L Al2（SO4）3溶液上滴加2滴0.9mol/L Na2CO3溶液為例，在拍攝的視頻中選取重要的時間節(jié)點進行截圖，得圖3（由于液滴左右基本對稱，故只選取圖片的左邊一半）。

如圖3所示，當?shù)稳?滴0.9mol/L Na2CO3液滴后，立即產(chǎn)生白色沉淀和無色氣泡。起初氣泡在沉淀中間以及邊緣都有生成，且中間的氣泡較邊緣要稍大。這是因為CO2是Na2CO3中的CO2-3水解得到，故剛開始沉淀中間的氣泡更大，隨著時間推移，中間還未反應(yīng)完的Na2CO3會向外擴散，使得沉淀與Al2（SO4）3溶液的交界處也產(chǎn)生氣泡。從40s到100s，可以明顯觀察到沉淀中間的氣泡開始縮小，而外圍的氣泡則逐漸增大。這是因為中間的氣泡會緩慢溶解于還未反應(yīng)完的Na2CO3溶液中，向外擴散的Na2CO3溶液則與Al2（SO4）3溶液不斷反應(yīng)生成較多的氣泡。CO2易于在酸性環(huán)境中生成，因此氣泡傾向于生成在沉淀外側(cè)的Al2（SO4）3溶液中。而最終沉淀中仍有微小氣泡，猜測是滴下的Na2CO3溶液已經(jīng)被反應(yīng)完或者是濃度低到不足以再與CO2反應(yīng)。

實驗4中，以在約8滴0.6mol/L Na2CO3溶液上滴加1～2滴0.2mol/L Al2（SO4）3溶液為例，在拍攝的視頻中選取重要的時間節(jié)點進行截圖，得圖4（由于現(xiàn)象主要集中在大液滴中部，故只截取圖片的中間部分）。

如圖4所示，當?shù)稳?～2滴Al2（SO4）3溶液后，立即產(chǎn)生白色沉淀和無色氣泡，氣泡只在沉淀內(nèi)部產(chǎn)生，外部幾乎不產(chǎn)生。猜測氣泡在沉淀內(nèi)部生成是因為沉淀內(nèi)部暫時形成了一個偏酸性的環(huán)境，能夠發(fā)生反應(yīng)②。而沉淀外圍是過量的Na2CO3溶液，發(fā)生反應(yīng)③，故不生成氣泡。隨著時間推移，沉淀內(nèi)部氣泡會合并變大，最終生成一個大氣泡。沉淀隨著時間的推移逐漸向外增多，將氣泡包裹，內(nèi)部的氣泡不溶解于Na2CO3溶液中。由實驗2可知沉淀在Na2CO3溶液中的溶解速率較慢，且約8滴Na2CO3溶液中Na2CO3的量也有限，所以當沉淀將氣泡包裹起來的時候內(nèi)部的氣泡就不會被Na2CO3溶解，而是保持在其中。正是因為白色沉淀與酸反應(yīng)的速率要大于堿，所以雖然實驗4中兩種反應(yīng)物溶液的濃度較低，但相同時間內(nèi)形成的沉淀反而要明顯多于實驗3。

2.2.5 反思

直接滴加型可以非常清晰地觀察到白色沉淀和無色氣泡以及它們生長變化的細節(jié)，從中可以獲得更多的實驗證據(jù)。其變化過程相對復(fù)雜，在實驗3中出現(xiàn)的“剛開始中間氣泡大，后又逐漸縮小”、實驗4中出現(xiàn)的“最終氣泡沒有被溶解”等現(xiàn)象容易引起學(xué)生的困惑，但是，如果正確地加以引導(dǎo)，讓學(xué)生從這些現(xiàn)象中思考背后的原因，可以培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和科學(xué)嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度。

2.3 兩滴相遇型

直接滴加型已經(jīng)非常清晰地觀察到實驗現(xiàn)象以及變化過程，但還是要分成兩個實驗去分別探討過量與少量的情況，故設(shè)計了更加巧妙的“兩滴相遇型”方案，使得可以在一個實驗中一體化地展示Al2（SO4）3與Na2CO3分別過量的情況。將兩滴溶液滴在相互靠近的位置上，輕輕一撥使它們相遇反應(yīng)，這樣在一側(cè)就是Al2（SO4）3過量、Na2CO3少量，另一側(cè)就是Al2（SO4）3少量、Na2CO3過量，并對實驗現(xiàn)象建立模型，提升學(xué)生的模型認知能力。

2.3.1 實驗方案

實驗方案如圖5所示。

2.3.2 實驗材料

鐵架臺、塑料尺、黑色卡紙、十字夾、試管夾、升降臺、手機、微距鏡頭、塑料滴管、Al2（SO4）3溶液和Na2CO3溶液

2.3.3 實驗步驟

用鐵架臺和十字夾將試管夾固定起來，把塑料尺夾在試管夾上，并保持其與桌面水平。用兩支分別吸有Na2CO3溶液和Al2（SO4）3溶液的塑料滴管分別在塑料尺上滴上1滴溶液，使這兩滴溶液距離很小，如圖5（a）所示。將裝有微距鏡頭的手機放置于升降臺上，通過調(diào)節(jié)升降臺的高度調(diào)整手機鏡頭的位置，使鏡頭與液滴剛好對焦，屏幕中能夠顯示出兩個完整的液滴。打開手機錄像鍵，用牙簽或者滴管輕輕一撥，使兩滴溶液相遇，交界處開始反應(yīng)，如圖5（b）所示，錄下反應(yīng)視頻。

2.3.4 實驗現(xiàn)象與結(jié)果分析

以0.3mol/L Al2（SO4）3溶液與0.9mol/L Na2CO3溶液反應(yīng)為例，在拍攝的視頻中選取重要的時間節(jié)點進行截圖，得圖6[液滴中Na2CO3溶液在上面，Al2（SO4）3溶液在下面]。

當兩滴溶液相遇后，交界處立即出現(xiàn)白色沉淀區(qū)域，該區(qū)域近似為一個橢圓形。仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)靠近Al2（SO4）3一側(cè)的沉淀是蛛網(wǎng)式的絲狀沉淀，而靠近Na2CO3一側(cè)的是蓬松的絮狀沉淀，二者形態(tài)不同。由文獻可知，pH對氫氧化鋁的晶型有較大影響，隨著溶液pH從3升至12，生成的氫氧化鋁晶體結(jié)構(gòu)依次為非晶態(tài)、勃姆石[γAlOOH]和拜耳石[αAl（OH）3]，相應(yīng)粉體顆粒平均直徑依次增大[8～10]。因此，可見隨著pH增大，氫氧化鋁顆粒更大，團聚得更緊密，沉淀也就更加明顯?？拷麼a2CO3溶液一側(cè)pH較大，故在宏觀上沉淀更加偏向于絮狀，而pH較小的Al2（SO4）3一側(cè)則為絲狀。

隨著反應(yīng)的進行會發(fā)現(xiàn)上端絮狀沉淀的量開始增多，這是因為反應(yīng)區(qū)內(nèi)沒反應(yīng)完的Al2（SO4）3溶液與上方液滴中的Na2CO3溶液相互擴散，在蓬松多孔的絮狀沉淀的孔隙處相遇反應(yīng)，生成氫氧化鋁沉淀。生成的沉淀雖然會溶解于Na2CO3溶液形成的堿性環(huán)境中，但是由實驗2可知，反應(yīng)速率較慢，所以會有更多的絮狀沉淀產(chǎn)生。但是在Na2CO3溶液過量的情況下發(fā)生反應(yīng)③，不生成CO2，所以現(xiàn)象為沉淀量增多而不出現(xiàn)氣泡。

沉淀區(qū)域下端的邊界處內(nèi)外側(cè)都開始出現(xiàn)無色氣泡，但明顯外側(cè)要多于內(nèi)側(cè)。隨著時間推移，下端氣泡的大小不斷增長，相互靠近的氣泡會合并成更大的氣泡。這是由于反應(yīng)區(qū)內(nèi)沒反應(yīng)完的Na2CO3溶液與下方液滴中的Al2（SO4）3溶液相互擴散，在蛛網(wǎng)式的絲狀沉淀的孔隙處相遇反應(yīng)，生成氫氧化鋁沉淀和CO2氣體。但是由實驗1可知，沉淀會極快地在Al2（SO4）3溶液形成的酸性環(huán)境中溶解，因此不會看到有白色沉淀增多的現(xiàn)象，甚至在反應(yīng)一段時間后絲狀沉淀還會部分溶解。CO2氣體在酸性和中性環(huán)境中都能夠生成，但是更偏向于在酸性環(huán)境中生成，因此在沉淀區(qū)域下方的內(nèi)外側(cè)都有氣泡不斷生長，但外側(cè)的氣泡明顯多于內(nèi)側(cè)。

根據(jù)反應(yīng)的實物圖[圖7（a）]繪制了“兩滴相遇型”的模型圖，如圖7（b）所示，以便學(xué)生理解反應(yīng)中發(fā)生的細節(jié)變化。

兩滴相遇型實驗，可以非常清晰地觀察到白色沉淀和無色氣泡以及它們的生長過程，并且在交界處的兩端分別模擬了其中一種溶液過量的情況?？紤]到白色沉淀和無色氣泡的生成都與溶液的pH有關(guān)，因此在之后的教學(xué)和學(xué)生實驗中可以讓學(xué)生嘗試比較不同濃度的硫酸鋁溶液和相應(yīng)濃度的碳酸鈉溶液反應(yīng)的現(xiàn)象差異，以獲得更多的實驗證據(jù)，引發(fā)更多的思考。

3 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)雙水解反應(yīng)教學(xué)中存在的缺陷，對雙水解反應(yīng)進行了可視化創(chuàng)新實驗設(shè)計，分為傳統(tǒng)改進型、直接滴加型和兩滴相遇型三種實驗方案，并將其應(yīng)用于觀察Al2（SO4）3溶液與Na2CO3溶液的雙水解反應(yīng)中，取得了很好的實驗效果，獲得了更多的實驗證據(jù)。

該實驗方案具有以下創(chuàng)新點：

（1） 微量化。試劑用量少，除傳統(tǒng)改進型需要1～2mL溶液以外，其余兩種實驗方案都只需幾滴溶液即可，大大節(jié)約了實驗資源。

（2） 可視化。改變了反應(yīng)容器，直接在載玻片或者塑料尺上進行反應(yīng)，使得現(xiàn)象之間不會相互干擾，并用微距鏡頭結(jié)合手機進行拍攝，可以清晰地觀察到微小的氣泡以及沉淀與氣泡的變化過程。

（3） 一體化。兩滴相遇型實驗方案可以在一個實驗中同時模擬兩種溶液分別過量的情況，使得現(xiàn)象形成鮮明的對比，具有更好的視覺效果。

在化學(xué)教學(xué)中，可以將該實驗方案用于多個實驗教學(xué)設(shè)計，例如探究碳酸鈉與鹽酸的反應(yīng)、碳酸氫鈉與硫酸鋁的反應(yīng)、氯化鐵與偏鋁酸鈉的反應(yīng)等，創(chuàng)設(shè)實驗情境讓學(xué)生觀察到更為清晰的實驗現(xiàn)象，獲得更為有趣而豐富的實驗證據(jù)以提升課堂教學(xué)的思維深度，提高教學(xué)質(zhì)量。另外，以該實驗方案為核心開展相關(guān)探究活動的設(shè)計，鼓勵學(xué)生設(shè)計新的實驗方案，親自動手實驗，嘗試探索和觀察不同條件下的反應(yīng)現(xiàn)象，有利于建立控制變量的科學(xué)思維方式，發(fā)展證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng)。

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