初中化学“无明显现象”实验的教学研究

刘智俊

1 引言

化学是一门以实验为基础的自然科学。“无明显现象”实验探究试题最能体现化学学科的特点，此类试题设计难度大，考生失分率较高。为了提高学生的设计能力和解题能力，教师在实验教学中加强培养学生进行实验设计的能力。下面就将课本中的“无明显现象”实验分为两类：一类是无新物质生成，实验根本未发生的；另一类是有新物质生成，实验确实发生了的。那么验证化学反应是否发生的依据是什么呢？化学变化的基本特征是有新物质生成，而且还伴随着能量的变化，这种能量变化常表现为吸热、放热、发光等，这些现象常常可以帮助我们判断物质是否发生了化学变化。如果酸碱盐溶液中任意两种物质混合后“无明显现象”，该如何知道反应是否发生了呢？下面将这两类“无明显现象”实验的教学研究进行归纳总结。

2 物理变化——无新物质生成，实验根本未发生

如果酸碱盐溶液中的几种离子混合后，离子的数目、离子的浓度都不发生变化，那么证明反应的确没有发生。

案例1：怎样验证碳酸钾和硫酸钠溶液混合后是否发生了反应

探究方案见表1。

反应原理：

K2CO3+2HCl=2KCl+H2O+CO2↑；

CO2+Ca（OH）2=CaCO3↓+H2O；

Na2SO4+Ba（NO3）2=BaSO4↓+2NaNO3。

通过实验分析得出：碳酸钾和硫酸钠溶液混合前后，离子的数目、离子的浓度都不发生变化，证明反应没有发生。

3 化學变化——有新物质生成，实验确实发生了

如果溶液中的几种离子混合后使其离子数目减少、离子浓度降低，那么反应就沿着离子数目减少、离子浓度降低的方向进行，则证明反应确实发生了。

3.1 案例2：如何用实验证明CO2与NaOH发生了反应

（1）密闭体系中反应物状态的变化引起压强差来证明反应确实发生了

设计原理：由于二氧化碳可与氢氧化钠溶液反应（CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O），二氧化碳气体体积减少，造成密闭体系内压强减少，外界大气压大于瓶内的气压。根据反应前后压强的变化可以设计不同的实验装置。

设计一：取2个相同体积的软塑料瓶分别收集满CO2，将等体积的水和NaOH溶液分别倒入两个软塑料瓶中，盖上瓶盖后震荡，如图1所示。倒入NaOH溶液的软塑料瓶比倒入水的软塑料瓶变瘪的现象更明显。通过“对比实验”证明CO2与NaOH溶液反应的确发生了。

设计二：将等体积的水和浓NaOH溶液分别倒入2个相同的烧杯中，再取2支相同体积的试管分别收集满CO2，同时将收集满CO2的试管倒扣在2个烧杯中，如图2所示。倒扣在浓NaOH溶液里的试管上升的液面明显高于装水的烧杯里面的试管的液面。通过“对比实验”再次证明CO2与NaOH溶液发生了反应。

设计三：将300 mL浓NaOH溶液倒入收集满CO2的广口瓶中，将煮熟去壳的鸡蛋放在广口瓶口，出现了“瓶吞鸡蛋”的现象，证明发生了反应。

设计四：将100 mL浓NaOH溶液倒入收集满CO2的广口瓶中，用一个带有U型管的橡皮塞塞紧瓶口，如图3所示。U型管的液面左侧上升右侧下降且液体进入广口瓶中，证明CO2与NaOH发生了反应。

设计五：按如图4所示装置设计一个“喷泉实验”，将胶头滴管里的浓NaOH溶液挤压到圆底烧瓶中，再打开止水夹。广口瓶中的红色液体沿着玻璃管进入圆底烧瓶，形成美丽的红色喷泉。右侧广口瓶中的稀盐酸倒流入左侧的广口瓶中，红色逐渐变为无色，证明发生了反应。

设计六：将200 mL浓NaOH溶液倒入收集满CO2的锥形瓶中，然后用一个带有玻璃管的双孔橡皮塞塞紧，玻璃管的下端系上一个气球，如图5所示。将胶头滴管里的浓氢氧化钠溶液滴入锥形瓶中，气球迅速膨胀，证明反应发生了。

设计七：先用止水夹夹住玻璃导管中的乳胶管，集气瓶里装满水，再将注射器里的浓NaOH溶液注入装满二氧化碳的圆底烧瓶中，最后打开止水夹。集气瓶里的水倒流入圆底烧瓶中，如图6所示，证明发生了反应。

（2）验证生成物Na2CO3的性质来证明反应的确发生了

方法一：将CO2气体通入NaOH溶液中，再滴加稀盐酸（或稀硫酸或稀硝酸），如图7所示。刚开始无明显现象，是酸与过量的氢氧化钠反应，继续滴加足量的稀盐酸，看到有大量气泡产生，将气体通入澄清的石灰水中，澄清石灰水变浑浊。说明溶液中含有CO2-3，证明CO2与NaOH发生了反应。

反应原理：

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O；

HCl+NaOH=NaCl+H2O；

Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑；

CO2+Ca（OH）2=CaCO3↓+H2O。

向碳酸钠和氢氧化钠溶液中滴加稀盐酸时，不会立即产生气泡，只有酸碱中和反应结束后，才会发生稀盐酸与碳酸钠的反应。即，当OH-和CO2-3同时与H+反应时，只有当OH-反应完了以后，才会和CO2-3反应生成H2O和CO2。

方法二：将CO2气体通入NaOH溶液中，再滴加Ca（OH）2或Ba（OH）2或CaCl2或BaCl2或Ca（NO3）2或Ba（NO3）2或AgNO3溶液，有白色沉淀（CaCO3或BaCO3或Ag2CO3）产生，证明CO2与NaOH发生了反应。

反应原理：

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O；

Na2CO3+Ca（OH）2=2NaOH+CaCO3↓。

证明CO2能与NaOH溶液反应的实验设计原理是：①根据反应前后压强的变化（瓶吞鸡蛋、气球膨胀、喷泉实验、液面差实验等）来设计的探究实验；②根据生成物盐Na2CO3的化学性质设计的探究实验；③反应的本质都是溶液中的离子数目减少、离子浓度降低生成了气体或沉淀或水。

3.2 案例3：怎样验证稀盐酸和氢氧化钠溶液混合后是否发生反应

（1）借助酸碱指示剂证明反应物的性质加以验证。探究方案见表2。

（2）添加其他试剂使其反应物中的离子数目减少、离子浓度降低加以验证。探究方案见表3。

方案3中的氯化铁溶液也可以替换成含（Fe3+或Cu2+或Mg2+或NH4+）盐溶液；碳酸钾溶液也可以替换成单质金属镁、锌或金属氧化物氧化铜、氧化铁或盐碳酸钙、碳酸钠、碳酸氢钠。

方案2和方案3通过溶液中某些离子明显减少来证明已经发生了反应（有新物质生成），而方案1则是通过溶液中某些离子没有明显减少来证明没有发生反应（无新物质生成）。

（3）通过中和反应的热效应来证明反应的发生

方法一：用双手直接触摸稀盐酸和氢氧化钠溶液的试管外壁，感觉温度明显升高，证明发生了反应。

方法二：用温度计测试反应后溶液的温度。

方法三：按如图8所示装置设计并完成實验，看到U型管右侧的红墨水上升，左侧红墨水下降。证明中和反应放热，锥形瓶内空气体积膨胀，瓶内压强大于外界压强。

3.3 案例4：如何证明CO2与H2O是否反应

实验步骤：取4朵用石蕊溶液染成紫色的干燥纸花。第1朵纸花喷上稀醋酸，第2朵纸花喷上水，第3朵纸花直接放入盛满二氧化碳的集气瓶中，第4朵纸花喷上水后，再放入盛满二氧化碳的集气瓶中，观察4朵纸花的颜色变化，如图9所示。

提出问题：紫色石蕊溶液遇到什么物质变红？

猜想与假设：①CO2；②H2O；③CO2和H2O反应的生成物碳酸。

实验现象见表4。

实验结论：二氧化碳与水反应生成碳酸，碳酸能使紫色石蕊溶液变成红色。

化学方程式：CO2+H2O=H2CO3。

[BFQ]案例1没有新物质生成，所以碳酸钾和硫酸钠溶液没有发生反应，而案例2、案例3、案例4都有新物质生成，所以都发生了化学反应。判断“无明显现象”实验，是否发生了化学反应的依据，是看是否有新物质生成。若是酸碱盐溶液混合，是看是否离子减少生成了气体或沉淀或水（即复分解反应发生的条件）；其他物质混合，是看是否有新物质生成（比如二氧化碳与水反应有新物质H2CO3生成）。[BF]

提出问题：其他酸性氧化物都能与水反应吗？如何书写化学方程式？书写酸性氧化物与可溶性碱的化学方程式是整个初中的最难点，如何引导书写呢？其实可以分3步进行（以酸性氧化物分别与NaOH反应为例）。

（1）酸性氧化物+H2O=酸

CO2+H2O=H2CO3；SO2+H2O=H2SO3；SO3+H2O=H2SO4

注意：SiO2既不溶于水也不与水反应，SiO2对应的水化物是硅酸（H2SiO3），H2SiO3也难溶于水。

（2）酸+碱=盐+H2O

H2CO3+2NaOH=Na2CO3+2H2O；H2SO3+2NaOH=Na2SO3+2H2O；H2SO4+2NaOH=Na2SO4+2H2O

（3）酸性氧化物+碱=盐+H2O（碱可溶）

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O；SO2+2NaOH=Na2SO3+H2O；

SO3+2NaOH=Na2SO4+H2O；SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

探究实验是化学教学中的灵魂。在新课教学过程中，应抓住“无明显现象”实验的教学研究为契机，引导学生通过设置实验来达到判断反应是否发生的目的，从而培养学生的探究精神和发展学生的思维能力。在复习教学过程中，更应抓住出题热点，精选实验习题，既要重视夯实基础，又要加强综合题的训练。要理清物质间的关系，将实验知识结构化、具体化、系统化，掌握科学的学习方法，提高解决实验问题的能力，这样既有助于学生取得优异成绩，又有利于学生化学科学素养的提升。