基于对比实验和创新实验的化学教学

伍强+黄晶+杜金铃

摘要：分析了教材中碳酸钠和碳酸氢钠相关的内容，认为应设计对比实验来探究碳酸钠和碳酸氢钠的性质。分析了相关实验的设计，认为实验设计还有创新的空间。指出学生在学习中存在的困惑问题及教师在教学时遇到的困扰问题，认为教学环节的设计和相关实验的创新必须解决教与学的问题。通过对比实验教学，学生能较好地领悟物质化学反应原理、了解科学探究方法。通过学生实验探究和教师创新实验演示并进的多种实验探究活动，培养学生的创新思维能力。

关键词：碳酸钠；碳酸氢钠；对比实验；创新实验；实验教学

文章编号：1005–6629（2017）4–0059–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

《化学教学》期刊设置了“实验创新设计”的栏目，展示了丰硕的实验创新成果。但从目前教学期刊上发表的“碳酸钠和碳酸氢钠”教学课例来看，将实验创新成果融入课堂教学的现状并不乐观。如比较Na2CO3和NaHCO3的热稳定性选用套管实验，二者与酸反应仍用等质量的Na2CO3和NaHCO3粉末与稀盐酸反应的实验，CO2气体与Na2CO3溶液反应采用CO2气体通入饱和Na2CO3溶液实验的剪辑视频。目前部分教师还存在一种错误的认识，认为按照教科书上的实验方案做了实验探究，就能很好地完成了实验教学。殊不知教科书编写的意图是“要有助于发挥化学教师的创造性，应留给教师较大的创造空间，使教师在实践中充分发挥教学的主动性和创造性”[1]。为此，笔者尝试将实验创新成果融入课堂教学，试图培养学生的创新思维能力。

1 课程标准和教材内容分析

课程标准指出：根据生产、生活中的应用实例或通过实验探究，了解钠等金属及其重要化合物的主要性质[2]。Na2CO3和NaHCO3的性质是人教版《化学1》“科学探究”的内容，就二者的外观、水溶性、溶解热效应、溶液酸碱性和热稳定性进行了实验探究，二者与稀盐酸的反应只要求写出反应的离子方程式[3]。人教版强调对比实验的设计，却忽视了二者与稀盐酸反应的实验探究。同样，苏教版《化学1》“活动与探究”的内容，对澄清石灰水和CaCl2溶液分别与Na2CO3溶液反应、浓盐酸与Na2CO3溶液反应、用pH试纸测定Na2CO3溶液pH和Na2CO3溶液去油污性能进行了实验探究，同时教材提供了Na2CO3和NaHCO3的性质比较信息，要求设计实验方案区别Na2CO3和NaHCO3的固体[4]。苏教版强调Na2CO3性质的实验探究，却忽视了NaHCO3性质的实验探究。从两个版本的教材内容分析，在实施教学过程中，应增加设计对比实验来探究Na2CO3和NaHCO3的性质。

2 相关实验设计的分析

2.1 Na2CO3、NaHCO3的固体热稳定性实验

人教版方案是将Na2CO3和NaHCO3的固体分别装在两支试管中，用酒精灯加热，将可能生成的气体通入澄清石灰水中，实验现象明显。缺点是分别做两次实验，需两次加热，实验加热环境不同，因此实验对比性差。为使实验对比性强，已有套管实验设计。实验装置如图1所示，实验现象明显，且只需一次加热。但此实验把不易分解的Na2CO3固体放在温度较高的外管，把易分解的NaHCO3固体放在温度较低的内管。这是在NaHCO3比Na2CO3容易分解的前提下设计的，实验预设性太强，缺乏探究性。

2.2 Na2CO3、NaHCO3与稀盐酸反应的实验

人教版全日制普通高级中学教科书设计了Na2CO3和NaHCO3粉末与稀盐酸反应的对比实验。实验如下：“在两支试管中分别加入3mL稀盐酸，将两个各装0.3g Na2CO3或NaHCO3粉末的小气球分别套在两支试管口。将气球内的Na2CO3和NaHCO3同时倒入试管中。[5]”通常观察到NaHCO3固体与稀盐酸反应速率比Na2CO3固体与稀盐酸反应速率大。事实上，两个反应速率大小与如下三个因素有关：一是Na2CO3与盐酸发生分步反应；二是颗粒大小，无水Na2CO3固体颗粒较大，NaHCO3晶体颗粒较小；三是热效应，Na2CO3固體溶解以及与盐酸反应均是放热，NaHCO3晶体溶解以及与盐酸反应均是吸热。两个反应速率大小除了Na2CO3与盐酸发生分步反应的影响因素外还有两个影响因素，而对比实验中只考虑一个影响因素，因此不符合对比实验基本要求。现行人教版删除了这个实验，要求学生写出Na2CO3、NaHCO3与稀盐酸反应的离子方程式。苏教版设计了Na2CO3溶液与浓盐酸反应实验，仍不能解决Na2CO3溶液和稀盐酸发生分步反应的机理。

2.3 饱和Na2CO3溶液与CO2气体反应的实验

有教师认为，向饱和Na2CO3溶液中通入CO2气体没有什么好研究的，NaHCO3溶解度比Na2CO3小，通入CO2气体后很快会析出白色晶体，教材没有要求做此实验就不做了。笔者用启普发生器快速生成CO2气体，通入饱和Na2CO3溶液中，20几分钟后才有微量晶体析出[6]，做过此实验的教师都认为不适宜作课堂演示实验。有教师在课堂中演示了如下实验：用大理石与稀盐酸反应生成的CO2气体和用雪碧（饮料）产生的CO2气体，分别通入饱和Na2CO3溶液中，约3min均出现白色沉淀[7]。该教师将CO2气体通入过饱和Na2CO3溶液中，析出的是碳酸钠晶体。

从以上三个实验设计分析可知，实验设计还有创新的空间。

3 学生学习困惑和教师教学困扰

3.1 Na2CO3溶液与稀盐酸分步反应

向Na2CO3溶液中滴加稀盐酸发生分步反应的机理（Na2CO3+HCl=NaHCO3+NaCl；NaHCO3+HCl=H2O+CO2↑+NaCl）在高考和会考中时有出现。学生的困惑：受“盐和酸反应生成新盐和新酸”的定向思维影响，总认为向Na2CO3溶液中滴加稀盐酸就会生成NaCl和CO2气体。教师的困扰：向盛有Na2CO3溶液的试管中滴加稀盐酸至过量，起初产生少量微小气泡，随后产生气泡似乎增多，实验现象不直观，不能断定是否生成了NaHCO3，只能在理论层面上给学生讲述分步反应机理。

3.2 Na2CO3溶液与CO2气体反应

用大理石与稀盐酸反应生成的CO2气体中含有HCl气体，教师强调因CO2气体会与Na2CO3溶液反应生成NaHCO3，則通过饱和NaHCO3溶液洗气来除去HCl气体，不能通过Na2CO3溶液洗气。学生的困惑：教师没有做过CO2气体与Na2CO3溶液反应实验，只是作了类比推理。教师的困扰：CO2气体通入饱和Na2CO3溶液实验不适宜作课堂演示实验，只能作类比推理。CO2气体能与CaCO3悬浊液反应生成Ca（HCO3）2溶液，则CO2气体也能与Na2CO3溶液反应生成NaHCO3。

学生在学习中存在困惑问题，教师在教学时遇到的困扰问题，教学环节的设计和相关实验的创新必须解决教与学的问题。

4 教学过程的设计

本节课设计了五个环节，一环扣一环，有效集中学生的注意力。

4.1 钙化合物的转化关系

[问题] Ca（OH）2微溶于水，澄清石灰水浓度小。向澄清石灰水中不断通入CO2气体将会出现什么现象？

[学生]澄清石灰水变浑浊。

[追问]后来呢？不知道（学生）。

设计意图：通过实验再现钙化合物性质，构建钙化合物转化关系，以此类推钠化合物转化关系。

4.2 溶解度、溶液酸碱性、热稳定性

4.2.1 溶解度

[讲述]固体物质在水中的溶解性分易溶（大于10g）、可溶（10～1g）、微溶（1～0.01g）、难溶（小于0.01g），在20℃时Na2CO3溶解度为21.5g、NaHCO3溶解度为9.6g。

[学生] Na2CO3属易溶、NaHCO3属可溶。

4.2.2 溶液酸碱性

[过渡] Na2CO3属于盐类，为什么俗称纯碱？

[学生] Na2CO3溶液可能呈碱性。

[学生实验]取两支试管分别加入少量1mol·L-1 Na2CO3、NaHCO3的溶液，请用pH试纸测定溶液pH，然后滴加酚酞溶液观察颜色变化。

[实验结果] Na2CO3、NaHCO3溶液pH分别为 12和8，滴加酚酞溶液分别呈现红色和粉红色。

4.2.3 热稳定性

[过渡] CaCO3高温分解，Ca（HCO3）2加热分解，Na2CO3、NaHCO3固体热稳定性如何？

[问题]请同学设计实验，比较Na2CO3、NaHCO3固体的热稳定性。

[学生实验]取少量NaHCO3固体于试管中，并加热，将可能产生的气体通入澄清的石灰水中，以同样的方法加热Na2CO3固体实验。

[实验结果] NaHCO3固体易分解。

[演示实验]展示如图3所示的油浴法实验装置，做简单的介绍，然后点燃酒精灯加热约2分钟，食用油温度升高至130～140℃时，右侧的澄清石灰水无明显现象，左侧的澄清石灰水变浑浊[8]。

[实验结果]NaHCO3固体易分解，Na2CO3难分解。

[学生] 2NaHCO3△=Na2CO3+CO2↑+H2O

设计意图：掌握Na2CO3、NaHCO3溶解性和溶液酸碱性为以下实验探究奠定基础。油浴法实验具有很好的对比性、探究性、直观性和简约性，可以粗略地测定NaHCO3分解的温度，学生对其热的不稳定性印象深刻。能拓展学生的知识面，培养学生的创新能力。

4.3 与酸反应

4.3.1 与稀盐酸反应

[学生实验]取两支试管分别加入少量1mol·L-1 Na2CO3、NaHCO3的溶液，然后分别滴加1mol·L-1 盐酸。

[实验现象]向Na2CO3溶液中滴加稀盐酸至过量，起初产生少量微小气泡，随后产生气泡逐渐增多。向NaHCO3溶液中滴加稀盐酸，立刻产生大量气泡。

[教师]请写出反应的化学方程式。

[学生] Na2CO3+2HCl（过量）=2NaCl+H2O+ CO2↑，NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑。

[设疑]向Na2CO3溶液中滴加稀盐酸至过量，起初产生少量微小气泡，随后产生气泡逐渐增多，可能还发生其他反应。

[教师]展示如图4所示的恒压式实验装置[9]，作简单介绍。

实验1 向Na2CO3溶液中滴加稀盐酸至过量

[演示实验]如图4装置。在广口瓶中加入1mol·L-1 Na2CO3溶液20mL，再滴入几滴酚酞溶液，在分液漏斗中加入1mol·L-1盐酸40mL。打开磁力搅拌器，搅拌待反应溶液。然后打开分液漏斗活塞，滴入约20mL稀盐酸，关闭活塞。溶液由红色变成粉红色，反应没有气泡产生，气球没有增大。

[问题]反应没有气体生成，溶液变成粉红色，反应生成了什么物质？

[学生]生成了NaHCO3。

[师生] Na2CO3+HCl（少量）=NaHCO3+NaCl。

[演示实验]再次打开分液漏斗活塞，滴入剩余约20mL稀盐酸。溶液由粉红色变成无色，反应产生气泡，气球逐渐增大。

[教师] NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑（已写出）。

实验2 向稀盐酸中滴加Na2CO3溶液至过量

[演示实验]如图4装置。在广口瓶中加入1mol·L-1盐酸40mL，再滴入几滴酚酞。在分液漏斗中加入1mol·L-1 Na2CO3溶液40mL。打開磁力搅拌器，搅拌待反应溶液。然后打开分液漏斗活塞，滴入Na2CO3溶液约20mL，关闭活塞。溶液保持无色，反应产生气泡，气球逐渐增大。

[教师] Na2CO3+2HCl（过量）=2NaCl+H2O+ CO2↑（已写出）。

[演示实验]再次打开分液漏斗活塞，滴入剩余约20mL Na2CO3溶液。溶液由无色变成红色，气球缓慢变小。Na2CO3溶液与CO2气体反应速率很慢。

设计意图：用恒压式实验装置探究Na2CO3溶液与稀盐酸互滴反应，实验现象明显、直观，解决了向Na2CO3溶液中滴加稀盐酸至过量发生分步反应的实验教学难点问题。通过实验探究，有助于学生更好地领悟Na2CO3溶液与稀盐酸互滴反应的化学反应原理，理解Na2CO3与盐酸分步反应的机理，领会化学反应中量变到质变的辩证思想，也让学生了解某些化学反应的可控性。

4.3.2 饱和Na2CO3溶液与CO2气体反应

[过渡] Na2CO3溶液能与稀盐酸反应，Na2CO3溶液能不能与CO2气体反应呢？

[师生实验]取盛有CO2气体的500mL普通矿泉水瓶，注入20mL饱和Na2CO3溶液，旋紧瓶盖，剧烈振荡矿泉水瓶1～2分钟，矿泉水瓶变瘪，再放置（或振荡或将矿泉水瓶与桌面敲打几下）1～3分钟析出较多白色晶体并出现白色浑浊现象[10]。

[问题]白色晶体是什么物质？

[学生] NaHCO3晶体。

[师生] Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3。

[教师]反应时水的量几乎不变，为什么能析出NaHCO3晶体。

[学生]NaHCO3溶解度比Na2CO3小。

设计意图：通过实验探究，能让学生深刻领悟Na2CO3溶液和CO2气体反应的原理，NaHCO3溶解度比Na2CO3溶解度小的物理性质。说明：寒冷天气实验时，剧烈振荡矿泉水瓶1～2分钟，矿泉水瓶变瘪，说明发生了反应，然后用温水浸泡矿泉水瓶后再振荡析出晶体；或者放置较长时间后自然析出晶体。

5.3 师生实验探究并进，培养创新思维能力

对同一个化学反应，通过学生实验探究和教师创新实验演示并进的多种实验探究活动，会引发学生认知的冲突，营造问题情境，激发学生探究的欲望。用油浴法实验装置探究Na2CO3、NaHCO3固体的热稳定性，使学生感受到设计的实验应具有科学性、可行性和简约性。用恒压式实验装置探究Na2CO3溶液与稀盐酸互滴反应，使学生感受到某些化学反应的可控性。师生实验探究并进，使学生体验实验探究的过程，激发学习化学的兴趣，强化科学探究的意识，培养了学生的创新思维能力。

参考文献：

[1][2]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003：40，11.

[3]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书·化学1（第3版）[M].北京：人民教育出版社，2007：56～57.

[4]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书·化学1（第6版）[M].南京：江苏教育出版社，2014：50～52.

[5]人民教育出版社化学室.全日制普通高级中学教科书·化学（必修）（第一册）[M].北京：人民教育出版社，2003：32.

[6][10]伍强.饱和碳酸钠溶液和二氧化碳气体反应实验的研究[J].化学教学，2014，（11）：56～57.

[7]游梅.一个大胆的猜想赢来的成功[J].中学化学教学参考，2014，（7）：37.

[8][11]伍强.碳酸钠和碳酸氢钠性质对比实验的研究[J].化学教学，2015，（12）：48～50.

[9]伍强.碳酸钠和碳酸氢钠与稀盐酸反应实验的创新设计[J].化学教学2016，（8）：64.