应用手持技术探究碳酸钠和碳酸氢钠的性质

霍爱新张　瑜　王皖娣

（天津师范大学教师教育学院　天津　300387）



应用手持技术探究碳酸钠和碳酸氢钠的性质

霍爱新*张瑜王皖娣

（天津师范大学教师教育学院天津300387）

摘要：碳酸钠和碳酸氢钠是钠的两种重要化合物，两种化合物的性质比较是高中化学教学中的一个重点。但是应用常规实验仪器进行实验时，发现存在实验现象不明显，甚至可能失败的教学问题。通过温度传感器、pH传感器、二氧化碳传感器在该实验中的应用，使实验现象更明显，更有利于学生观察、比较和记忆。

关键词：手持技术；碳酸钠；碳酸氢钠

碳酸钠与碳酸氢钠的“溶解热的比较、碱性强弱的比较、与盐酸反应的速率比较和热稳定性的比较”是钠的化合物的主要教学内容。但是在教学中发现，这四组实验存在以下问题：二者溶解存在热量变化不明显的问题，实验过程中，很难用手感知温度差异；水溶液都呈碱性，但pH差值不大，用pH试纸测定，碱性强弱不显著；观察与酸反应的速率时，反应较快，通过观察很难判断气体放出的快慢；热分解反应放出的二氧化碳用澄清石灰水检验，效果不明显。手持技术应用于化学实验中具有数字和图形结合的特点，利用手持技术对该部分教学实验进行改进，可以使实验现象更直观，更有利于学生的观察、比较和记忆。

一、实验药品和仪器

盐酸（0.1mol/L）、碳酸钠（0.1mol/L）、碳酸氢钠（0.1mol/L）、碳酸钠和碳酸氢钠固体、三口烧瓶、量筒、试管、注射器、橡皮塞、胶头滴管。实验采用Pasco公司的数字采集器、datastudio数据采集软件、温度传感器、pH传感器、CO2传感器。

二、实验步骤

组装实验装置，将传感器、数据采集器、计算机及其相对应的软件相连接。分别做以下四组实验：

（1）称取1.68g碳酸氢钠和2.12g碳酸钠粉末（等物质的量），分别溶于10mL水，利用温度传感器测定其温度变化。

（2）取0.1mol/L的碳酸氢钠和碳酸钠溶液各10mL，利用pH传感器测定碱性大小。

（3）取0.1mol/L的碳酸氢钠和碳酸钠溶液各6mL，分别与10mL0.1mol/L盐酸反应，利用CO2传感器测量CO2浓度变化。该实验用两个三口烧瓶作为反应容器，一个盛有碳酸氢钠溶液，一个盛有碳酸钠溶液，每个三口烧瓶一口连接二氧化碳传感器，另一口用注射器同时注入盐酸。实验装置如图1所示。

图1　碳酸氢钠溶液和碳酸钠溶液与盐酸反应的实验装置图

（4）称取少量碳酸氢钠和碳酸钠固体粉末放入试管中加热，利用CO2传感器测量CO2浓度变化。

三、实验数据分析

1.碳酸氢钠和碳酸钠溶解过程温度变化

图2　等物质的量的碳酸氢钠和碳酸钠溶解时温度变化情况

在常规实验教学中，往往是在试管中溶解振荡后让学生用手感知试管底部温度变化，碳酸钠溶解放热温度略有升高可以感知，但碳酸氢钠溶解时吸热，并且热量变化较小，用手不易感知到。

从图2中可以看出碳酸钠溶解时的温度变化是升高的，碳酸氢钠溶解时温度变化是降低的。反应开始显示室温约为22℃，迅速将10mL水加入两种固体中，振荡溶解，温度传感器实时将体系内的温度变化用图表的形式表示出来，直观的可以看出溶解后碳酸钠溶液温度高于初始室温，而碳酸氢钠溶液低于室温。传感器引入实验教学中，结合实时、直观的图表和数字进行解释说明，可以提高实验结果的直观性和数字化，学生更容易理解和记忆。

2.碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液pH大小

图3　等物质量浓度的碳酸氢钠和碳酸钠溶液的pH变化情况

传统实验教学用酚酞溶液或pH试纸测定两者水溶液的酸碱性，酚酞溶液可以通过溶液的颜色深浅进行定性说明，但是有时酚酞量过多或者溶液浓度不同都会对现象有影响，现象不明显；用pH试纸测量，由于两种溶液都呈碱性且pH差值不大，由于pH试纸的精确度不高，数据往往并不明显。

从图3中可以看出碳酸钠溶液的碱性高于碳酸氢钠溶液。利用pH传感器测量溶液的pH值，实验结果数字化、定量、精确，可以将两组实验的数据差别更直观地表示出来。手持技术引进实验中，可以把原本的定性实验进行定量化，并且图表简单容易理解，数据直观。

3.碳酸钠和碳酸氢钠与酸反应快慢

图4　等物质量浓度的碳酸氢钠和碳酸钠与酸反应CO2产生浓度变化情况

传统的实验教学中，碳酸氢钠和碳酸钠与酸反应，由于现象不明显，很多教师都进行过实验改进，大多数都是改进实验装置。如在试管内反应，管口套有气球的装置，看气球膨胀大小比较二者反应速率快慢［1］，但是也有教师对此实验改进提出质疑［2］。该实验特点是反应过快，操作不当容易漏气或者气球膨胀效果不明显。

也有教师用压力传感器［3］，进行产生气体的压力的比较，也很好地说明反应速率，但是需要验证产生的气体为CO2，而用CO2传感器，不需要再验证产生的气体是CO2。

用CO2传感器对体系进行测量，图4显示结果碳酸氢钠与酸反应的过程中测量数值迅速增大，出现曲线的斜率比碳酸钠与酸反应的大。在图3中，可以清晰看出碳酸氢钠在反应过程中放出气体量快于碳酸钠。碳酸氢钠曲线斜率较大，CO2浓度增长远远高于碳酸钠，反应进行2分钟后碳酸氢钠产生的CO2量基本稳定，而碳酸钠产生的CO2量仍然不断缓慢增长。基于酸过量情况，最后产生的二氧化碳气体量应该是相同的。利用手持技术，通过图表曲线变化趋势可以看出二者明显的差异性。

4.碳酸氢钠和碳酸钠热稳定性

图5　等质量的碳酸氢钠和碳酸钠受热分解产生CO2浓度大小情况

传统实验教学不能直观地看到二氧化碳的生成，需要用澄清的石灰水验证，且无法进行直观比较。

应用手持技术，实验中用CO2传感器直接测量碳酸氢钠和碳酸钠受热分解情况。图5明显可以看出碳酸钠受热后一段时间立即产生CO2，气体量不断增加。直观表明受热可发生化学变化并证明产生气体为CO2，而碳酸钠受热分解CO2数值无变化。运用该传感器的优势可使学生们看出反应产生CO2变化的具体情况，加深对二者性质的本质区别，使实验更加直观、具体。

三、实验小结

在碳酸氢钠和碳酸钠性质的学习过程中，通过四组实验的设计，使用多种传感器进行实验。传感器的数字化、定量化、图形化、数形结合，使二者的物理性质和化学性质的比较更直观，易于学生观察，促进学生理解。

参考文献

［1］叶珍.碳酸钠与碳酸氢钠分别与盐酸反应的实验改进［J］.文理导航（中旬），2014，1

［2］潘泽新.碳酸钠和碳酸氢钠与稀盐酸反应实验改进的探索过程［J］.第五届中国教育技术装备论坛获奖论文集（中），2014，11

［3］曾珍，鲍正荣.利用“手持技术”比较碳酸钠和碳酸氢钠与稀盐酸反应的速率［J］.中小学实验与装备，2012，3（22）：11-26

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.03.032

文章编号：1008-0546（2016）03-0088-02

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

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