再谈碳酸钠和盐酸反应的实验改进

肖中荣　周萍

摘要： 梳理文献中碳酸钠和盐酸反应改进实验的利弊，通过分析教材内容和学生认知心理，确定碳酸钠和盐酸反应的实验改进价值在于使学生理解碳酸钠和盐酸反应是分步进行的，从而培养学生宏微结合、证据推理和变化观念的学科素养。实验改进的关键是控制碳酸钠和盐酸的浓度，避免盐酸滴入碳酸钠溶液时出现局部酸过量;呈现三个成功的改进实验;在“碳酸钠的性质与应用”新授课中以0.1mol/L HCl溶液和0.2mol/L Na2CO3溶液反应为例设计教学过程，探索指向知识意义功能的实验教学行为，提出基于教学功能的实验改进流程，充分发挥化学实验的教学功能。

关键词： 实验改进; 碳酸钠; 碳酸氢钠; 盐酸; 实验探究

文章编号： 10056629（2019）10005404中图分类号： G633.8文献标识码： B

碳酸钠和盐酸反应是碳酸钠重要的化学性质，人教版[1]、苏教版[2]均安排了演示实验，“新课标”在必修课程保留了钠、铁、氯、氮、硫元素及其化合物知识。碳酸钠和盐酸反应的实验改进一直是教师关注的热点，碳酸钠和盐酸反应的教学功能是什么？如何基于教学功能改进碳酸钠和盐酸反应的实验？本文就这些问题进行探究。

1 对文献中改进实验的综述

在万方数据库以“碳酸钠和盐酸反应实验改进”为主题词进行搜索，查到十余篇相关文献，分析发现实验改进目的可分两类： 第一类是证明“碳酸氢钠与盐酸反应速率快于碳酸钠与盐酸反应速率”，如设计新装置，通过同时滴加盐酸、观察气泡高度证明碳酸氢钠与盐酸反应速率快[3];通过数字传感器测定相同时间内增加二氧化碳的浓度证明碳酸氢钠与盐酸反应速率快[4];将“取相同质量碳酸钠和碳酸氢钠”变成“取相同物质的量浓度碳酸钠和碳酸氢钠”证明碳酸氢钠与盐酸反应速率快[5]。第二类是探索“碳酸钠与盐酸反应的实验目的”，如通过理论计算证明碳酸钠和盐酸反应分二步进行，对“碳酸氢钠与盐酸反应速率快于碳酸钠与盐酸反应速率”的原理提出质疑，但没有设计具体的实验方案[6]。

综上所述，已有改进实验存在如下“模糊现象”： 一是对碳酸钠和盐酸反应实验的教学功能认识模糊，多数改进实验是为了比较碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应速率快慢，装置偏复杂;二是多数改进实验对碳酸钠、碳酸氢钠和盐酸反应的现象描述模糊，几乎没有确切地描述真实的反应现象。

2 实验教学功能定位

教学功能是实验改进的价值内核，如果教师对实验教学功能认识模糊，实验改进就会迷失方向，这是实验教学值得警惕的问题。碳酸钠与盐酸反应实验的教学价值究竟是什么？教材没有明确说明。下面以苏教版《化学1》为例分析碳酸钠和盐酸反应实验的教学功能。

2.1 教材内容层级分析

从教材单元内容看，苏教版《化学1》专题1是“化学家眼中的物质世界”，专题1在第二单元介绍了“研究物质的实验方法”;专题2是“从海水中获得化学物质”，专题2的第二单元介绍了“钠镁及其化合物”和“离子反应”;专题3是“从矿物质到基础材料”。苏教版《化学2》在专题2第一单元初步介绍了化学反应速率的概念及其影响因素，苏教版《化学反应原理》在专题2第一单元从碰撞理论和过渡态理论介绍了化学反应速率的影响因素。

从教材课时内容看，专题2“从海水中获得化学物质”的第二单元“钠镁及其化合物”“碳酸钠的性质与应用”新授课安排了4个实验： 实验1澄清石灰水和碳酸钠反应、氯化钙溶液和碳酸钠反应;实验2按图组装仪器，将滴管中的浓盐酸加入盛有碳酸钠固体的广口瓶;实验3用pH试纸测碳酸钠溶液的pH。

从单元教学内容安排看，学生在初中学习酸碱盐的概念，熟悉复分解反应发生的条件，知道碳酸钠能和盐酸反应。学生通过高中《化学1》专题1中“研究物质的实验方法”的学习，了解实验是研究物质性质的重要手段，在学完“钠镁及其化合物”后即将学习“离子反应”。从课时教学内容安排看，教材呈现了碳酸钠和酸碱盐反应实验，意在巩固碳酸钠具有弱酸正盐的通性（碳酸钠与盐酸反应是支撑碳酸钠和强酸反应的一个事实证据）。另外，高一新生认知心理仍然以形象思维和定性思维为主，尚不能通过抽象思维和定量思维认识化学反应，认识角度单一、认识水平肤浅。

2.2 实验教学功能定位

知识结构由内向外分为知识的意义系统、知识的逻辑形式、知识的符号表征。知识的符号表征是表征、传播知识的方式，知识的逻辑形式是指具体知识点在学科体系中的结构和功能，知识意义系统是指知识学习承载人类认识世界的思想方法、价值观念和文化情趣等[7]。通过对教材内容和学生的认知能力分析，我们认为碳酸钠和盐酸反应的实验教学价值应该设定如下：

[符号表征]学生掌握碳酸钠和盐酸分步反应的化学方程式：

[逻辑形式]学生以碳酸钠为例理解二元弱酸的正盐与强酸反应是分步反应，认识反应物的量不同可能导致产物不同，碳酸钠和盐酸反应的事实性知识为后续学习“离子反应”提供感性材料。

[意义系统]学生观察宏观实验现象，想象微观反应过程，通过观察分析、对比归纳等思维活动提高认识化学反应的深度（从宏观到微观、从定性到定量），巩固“实验是研究化学反应的重要手段”的学科观点。

简言之，碳酸钠和盐酸反应的实验教学功能在于使学生理解碳酸钠和盐酸反应是分步进行的，培养学生宏微结合、证据推理和变化观念的学科核心素养。“反应速率概念及其影响因素”安排在苏教版《化学2》和《化学反应原理》中，“反应速率属于动力学概念，影响因素复杂，不能用最终放出CO2体积多少比较反应速率快慢”，应摒弃“比较碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应速率快慢”的不恰當教学目标[8]。

3 实验改进关键问题控制

为了达成上述教学功能，我们希望理想的实验现象为： 将盐酸滴入碳酸钠溶液开始无现象，随着盐酸滴加慢慢生成气泡;将碳酸钠滴入盐酸立即生成气泡。笔者按照苏教版教材操作“将滴管中的浓盐酸加入盛有碳酸钠固体的广口瓶立即产生气泡”。文献[9]也描述了“将2mol/L盐酸慢慢滴入碳酸钠固体立即产生气泡的现象”。我们认为实验的关键是控制碳酸钠、盐酸的浓度，若盐酸浓度过大、碳酸钠浓度过小，盐酸滴入碳酸钠溶液造成酸局部过量，产生气泡，不利于学生理解盐酸和碳酸钠反应是分步进行的。因此，实验改进的关键点是控制碳酸钠和盐酸的浓度，避免盐酸滴入碳酸钠溶液导致局部酸过量。

4 实验改进方案探索

4.1 确定常量实验浓度

分析化学根据被测组分含量多少分为常量分析（>1%）、微量分析（0.01%～1%）和痕量分析（<0.01%），中学化学实验是在常量范围的操作。根據常量分析含量估算试剂浓度： 碳酸钠浓度应大于0.094mol/L，盐酸浓度应大于0.2mol/L。我们在实验中配制不小于0.1mol/L的试剂浓度，保证了现象的可靠性和重现性。

4.2 实验改进方案探索

4.2.1 Ⅰ组 等浓度盐酸和碳酸钠溶液反应

准确配制0.1mol/L盐酸和0.1mol/L Na2CO3溶液各20mL，用胶头滴管取0.1mol/L盐酸溶液逐滴加入盛有2mL 0.1mol/L Na2CO3溶液的试管中，溶液接触处产生少量细小气泡;将0.1mol/L Na2CO3溶液逐滴加入2mL 0.1mol/L盐酸中，溶液接触处也产生少量气泡，互滴操作实验现象几乎无区别。将1mol/L盐酸滴加到2mL 1mol/L Na2CO3溶液中立即产生大量气泡，反过来，将上述浓度碳酸钠溶液滴入盐酸，也产生大量气泡（上述实验在滴加溶液时均不搅拌，下文同）。

[结论]将0.1mol/L盐酸逐滴加入0.1mol/L Na2CO3溶液中立即生成气泡，反过来，将上述浓度碳酸钠溶液逐滴加入盐酸中也立即产生气泡，二者产生气泡量区别不明显。将1mol/L盐酸和1mol/L碳酸钠溶液互滴，均产生大量气泡，现象也无明显区别。浓度低且相等的盐酸和碳酸钠溶液反应很难出现“理想的实验现象”，不利于教师演示或者学生分组实验。

4.2.2 Ⅱ组 低浓度盐酸和高浓度碳酸钠溶液反应

准确配制0.1mol/L盐酸和0.2mol/L Na2CO3溶液各20mL，用胶头滴管取0.1mol/L盐酸溶液逐滴加入盛有2mL 0.2mol/L Na2CO3溶液的试管中，盐酸滴入溶液上层无现象，轻轻晃动试管也无现象，加了1滴管（约1mL，25滴，下同）盐酸开始产生微量气泡。反过来，将上述浓度的碳酸钠溶液逐滴加入盐酸中，立即产生微量气泡，互滴操作实验现象区别明显。

将0.1mol/L盐酸滴入2mL 0.5mol/L Na2CO3溶液无气泡产生，加1滴管溶液也无气泡产生，加了约3滴管盐酸开始产生细小气泡;反过来，将上述浓度碳酸钠滴入盐酸中，立即产生大量气泡。

[结论]将0.1mol/L HCl溶液逐滴加入2mL 0.2mol/L Na2CO3溶液中，开始无气泡生成，加入约1滴管溶液开始出现细小气泡，此现象说明碳酸钠和盐酸的反应是分步进行的。若碳酸钠浓度过大（大于0.5mol/L），需加大量0.1mol/L盐酸才能产生气体（试管溶液太多，不适合实验演示）。将0.1mol/L HCl溶液逐滴加入2mL 0.2mol/L Na2CO3溶液中出现“理想的实验现象”，本实验操作取量合适、现象明显，适合教师演示实验和学生实验。

4.2.3 Ⅲ组 等浓度的醋酸和碳酸钠溶液反应

准确配制0.1mol/L醋酸和0.1mol/L Na2CO3溶液各20mL，用胶头滴管取0.1mol/L醋酸溶液、逐滴加入盛有2mL 0.1mol/L Na2CO3溶液的试管中，开始无现象，加1滴管酸液后仍无现象。反过来，将上述浓度碳酸钠逐滴加入醋酸溶液，产生少量的极细小气泡，互滴操作实验现象几无区别。

将1mol/L醋酸滴加到2mL 1mol/L Na2CO3溶液中，酸液滴在溶液上部无明显气泡产生，当醋酸加了约1滴管开始产生气泡。反过来，若将上述浓度的碳酸钠溶液滴入醋酸溶液中，碳酸钠液滴密度大沉入溶液底部，产生的气泡慢慢浮出液面，互滴操作实验现象区别明显。

[结论]醋酸是弱电解质，电离出c（H+）小，是很好的“H+缓释源”。等浓度的碳酸钠溶液和醋酸溶液反应，局部低浓度H+和CO2-3结合生成HCO-3，促进醋酸电离产生H+，过量H+和HCO-3反应继续生成碳酸产生气泡。实验发现，1mol/L Na2CO3溶液和1mol/L醋酸溶液互滴实验现象直观有趣、对比明显，可以出现“理想的实验现象”。

4.2.4 Ⅳ组 以硅酸铝棉为载体设计盐酸和碳酸钠溶液反应

硅酸铝棉的化学式为Al2SiO5，它是以硬质粘土熟料为原料，经电阻或电弧炉熔融、喷吹成纤工艺生产而成（淘宝上可以购买）。硅酸铝棉具有较强的吸附性，不与盐酸或碳酸钠反应。将硅酸铝棉剪成10×15mm大小、5mm厚的小片，分别浸泡于0.1mol/L盐酸和碳酸钠溶液、0.5mol/L盐酸和碳酸钠溶液5分钟，沥干待用。

将浸有0.5mol/L盐酸的硅酸铝棉放入2mL 0.5mol/L Na2CO3溶液中，开始无明显现象，30秒后可见硅酸铝棉表面产生密集的细小气泡。反过来，将浸有0.5mol/L碳酸钠溶液的硅酸铝棉放入2mL 0.5mol/L盐酸溶液中，硅酸铝棉表面立即产生大量气泡。

[结论]硅酸铝棉可以吸附H+或CO2-3，将浸有盐酸的硅酸铝棉置于碳酸钠溶液中，硅酸铝棉吸附的H+持续扩散至表面与溶液大量CO2-3分步反应，呈现“先无气泡后产生气泡”的现象。若将浸有碳酸钠溶液的硅酸铝棉置于盐酸中，硅酸铝棉吸附的CO2-3持续扩散至表面与溶液中大量H+反应生成二氧化碳，立即产生气泡。实验发现，硅酸铝棉浸在浓度小于0.5mol/L盐酸或碳酸钠溶液中，实验现象区别不明显。而浸于0.5mol/L Na2CO3溶液和0.5mol/L盐酸溶液的反向操作的实验现象很明显，可以出现“理想的实验现象”。

5 基于实验功能呈现的教学设计

综上所述，实验Ⅱ组中0.1mol/L HCl溶液和2mL 0.2mol/L Na2CO3溶液、实验Ⅲ组中1mol/L Na2CO3溶液和1mol/L醋酸溶液、实验Ⅳ组中浸有0.5mol/L盐酸的硅酸铝棉和0.5mol/L Na2CO3溶液的实验操作均可出现“理想的实验现象”。三个实验要求的知识点不同，在教学中使用的时机也不同。实验Ⅱ没有涉及新知识，可以在“碳酸钠的性质与应用”新授课中作为学生探究实验（便于观察实验细微现象）;实验Ⅳ用到硅酸铝棉，可以在新授课后作为课外拓展实验;实验Ⅲ涉及醋酸的电离平衡移动，可以在讲授“弱电解质的电离平衡”时呈现。以下是“碳酸钠的性质与应用”新授课中基于实验Ⅱ的教学过程。

问题1： 碳酸钠和盐酸发生反应吗？若能，实验现象是什么？

学生分小组实验，自选用品完成碳酸钠和盐酸反应。（实验用品： 0.1mol/L盐酸、1mol/L盐酸、0.2mol/L Na2CO3溶液和1mol/L Na2CO3溶液，试管、滴管若干）

问题2： 你观察到哪些实验现象？

问题3： 请写出碳酸钠和盐酸反应的化学方程式。

问题4： 请预测碳酸氢钠和盐酸互滴的现象？

“问题1”引导学生回顾强酸能和弱酸盐反应，预测碳酸钠和盐酸反应有气泡。学生自选用品、自主操作可能会出现多种情况，如将0.1mol/L盐酸滴入0.2mol/L Na2CO3溶液开始无气泡、后有气泡产生;将0.1mol/L盐酸滴入1mol/L Na2CO3溶液可能一直无气泡（和碳酸钠取量有关）;将1mol/L盐酸和0.2mol/L Na2CO3溶液或1mol/L Na2CO3溶液反应立即产生气泡，互滴现象没有区别。“问题2”引导学生分享实验现象，交流反常的实验现象，学生自然要思考反应操作、反应用量和产物的关联，通过“宏微结合、定量分析”的思维推演，建立碳酸钠和盐酸发生分步反应的观点。“问题3”引导学生将碎片化观点进行梳理，形成“结构化”的知识图式，深化对碳酸钠和盐酸反应的认识。“问题4”考察学生解释变式问题的能力。上述教学设计不仅完成了碳酸钠和盐酸知识符号和逻辑体系教学，还发展了学生科学探究、证据推理、建模用模等核心素养，探索了指向知识意义功能的实验教学行为。

6 基于教学功能的实验改进流程

宋心琦先生认为，教材实验分三个部分： 一是选择的实验对象，二是合理的实验步骤和安全措施，三是必需的试剂、仪器装置及合乎规范的操作技术。这些因素都可能影响实验现象，因而实验改进是化学教学最有创意的活动，而准确理解实验教学功能是实验改进的基础。我们认为，实验教学是知识教学的一部分，应该承担知识教学的本体价值和素养发展价值，即要传授知识的符号表征、建构知识的逻辑形式、体验知识的意义系统。教师在理解实验教学价值的基础上再考虑实验改进的原则（如科学性、直观性、简约性和安全性等），才可以发挥化学实验的最大功效。基于教学功能的实验改进流程如图1所示。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出，化学实验对于全面发展学生的化学学科核心素养有极为重要的作用，要充分认识化学实验的独特价值，精心设计实验探究活动[10]。指向教学功能的实验改进和教学设计是当下化学教学必須高度重视的问题，让我们在思考中改进、在改进中教学！

参考文献：

[1]人民教育出版社化学室. 全日制普通高级中学教科书·化学（第一册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2003： 49～51.

[2]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学1[M]. 南京： 凤凰出版传媒集团， 2012： 51.

[3]孙玉彬. 两则化学实验的改进[J]. 教学仪器和实验， 2000， （10）： 15～16.

[4]陈琛等. 数字化实验在化学教学中的运用研究[J]. 合肥师范学院学报， 2018， （5）： 79～80.

[5]吴丹等. 对碳酸钠、碳酸氢钠和稀盐酸反应实验的商榷[J]. 化学教育， 2007， （11）： 54.

[6][8]王文林. 对Na2CO3、 NaHCO3和稀盐酸反应实验的认识[J]. 化学教学， 2005， （1～2）： 127～128.

[7]何银华等. 证据推理， 化学高考试题评价的新视角[J]. 中学化学教学参考， 2018， （9）： 54.

[9]江敏. 有意思的化学 有意义的教学[M]. 西安： 陕西师范大学出版社， 2016： 3.

[10]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 72.