饱和碳酸钠溶液与二氧化碳反应实验的再改进

吕善荣

摘要：在参考文献的基础上再次对实验作改进。通过向充满二氧化碳的试管中注入饱和碳酸钠溶液，并用水作空白实验，利用二氧化碳传感器和pH传感器对反应后析出的晶体进行定性及定量分析。实验证明：饱和碳酸钠在常温下与二氧化碳反应后析出晶体的主要成分是碳酸氢钠。认为只要控制好反应条件，本实验容易取得成功。

关键词：饱和碳酸钠溶液;二氧化碳;碳酸氢钠;联合制碱法;实验改进

文章编号：1005-6629（2021）04-0066-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1问题提出的背景

碳酸钠与二氧化碳的反应是上海市现行高三拓展教材第5章“非金属元素”中“一些非金属化合物”的课堂实验，学习水平是B级。教材还安排了碳酸氢钠与碳酸钠的热稳定性比较实验，之后又学习联合制碱法。通过碳酸氢钠与碳酸钠的相互转化分析，引导学生归纳正盐与酸式盐之间转化的一般规律，学会从个别到一般的演绎推理方法。同时为学习纯碱工业制法储备必要的知识。

在实际课堂教学中不少教师反映，将二氧化碳通人饱和碳酸钠溶液中，虽经较长时间，但该实验仍很难做成功，为此许多老师作了不少探索。

刘怀乐等撰文指出，为了克服把CO₂通入饱和Na₂CO₃溶液因为生成难以回避的Na₂CO₃·10H₂O晶体会错以为是NaHCO₃，建议用饱和食盐水稀释饱和碳酸钠溶液，在饱和Na₂CO₃稀溶液中加入少量酒精。

夏立先撰文认为该实验成功的关键：一是通入的CO₂气流要大且连续;二是通入CO₂气体的导管要插到试管底部，以增加CO₂气体与饱和碳酸钠溶液的接触时间。

周存军通过探究雪碧与碳酸钠的反应实验发现：取一瓶600mL的雪碧，倒出约三分之二，再向瓶中迅速加入5～6g碳酸钠粉末，盖好瓶塞、摇匀，约2分钟后，雪碧瓶瘪，有白色晶体析出;溶液pH由3.29上升为9.0，由此推断析出晶体为碳酸氢钠。

伍强撰文讨论了通过控制反应条件及反应物用量，对向饱和碳酸钠溶液中通入二氧化碳气体和向盛有二氧化碳气体的容器中注入饱和碳酸钠溶液分别作了实验探究。结果发现，在盛有二氧化碳气体的矿泉水瓶中注入适量的饱和碳酸钠溶液，易析出碳酸氢钠晶体。

在上述有关文献的基础上本文重新设计该实验并作再次改进。在两支集满二氧化碳的大试管中，同时分别用注射器注入10mL饱和碳酸钠溶液和蒸馏水，用气体压强传感器监测反应过程中的气压变化，实验中采用室温水浴以免外界温度对试管内气压的影响。然后就实验产物进行过滤、晾干得到的固体，再利用二氧化碳传感器和pH传感器对反应产物进行定性和定量分析。实验证实，饱和碳酸钠溶液与二氧化碳反应后析出晶体中的主要成分是碳酸氢钠。

2实验仪器及试剂

实验仪器：Vernier数据采集器、计算机（安装LoggerPro软件）、Vernier气体压强传感器（包括20mL注射器和鲁尔阀）、Vernier不锈钢温度传感器、Vernier二氧化碳传感器、Vernier滴数传感器、Vernier磁力搅拌器、电子天平（0.0001g）、大试管（30mm×200mm）、大烧杯（1000mL）等

实验试剂：饱和Na₂CO₃溶液、無水Na₂CO₃晶体、1：4稀硫酸、蒸馏水、自来水等

改进实验装置如图1所示。

3实验操作步骤

（1）用无水Na₂CO₃晶体与1：4的稀硫酸反应制取CO₂，并收集于两支大试管中，塞上橡皮塞，备用。

（2）取两支注射器，分别吸取10mL饱和碳酸钠溶液和10mL蒸馏水。

（3）如图1装配装置。

（4）开启LoggerPro软件，点击采集按钮开始采集数据;将两支注射器中的饱和碳酸钠溶液和蒸馏水快速注入两支大试管中，关闭鲁尔阀，振荡后放人盛有自来水的大烧杯中。

（5）待注入饱和碳酸钠溶液的大试管中出现较多白色晶体后，点击停止按钮终止数据采集，保存数据。

4数据记录和分析

4.1实验现象及数据记录

饱和Na₂CO₃溶液与CO₂反应：CO₂起始气压为100.12kPa，注入10mL饱和碳酸钠溶液时，气压升至109.13kPa，而后下降为101.1kPa。200 s时，试管内壁出现少量白色晶体，气压为98.25 kPa;439s时，试管中生成较多白色晶体，气压降为87.91 kPa（图2上）。

蒸馏水与CO₂反应：CO₂起始气压为100.59 kPa，注入10mL蒸馏水后，气压升至108.08 kPa，而后下降为104.7 kPa;200 s时，气压为104.7 kPa;439 s时，气压为103.43 kPa（图2上）。大烧杯中水温基本不变（图2下）。

4.2数据处理和理论分析

（1）上述图2上方曲线是饱和Na₂CO₃溶液吸收CO₂过程中试管内气体压强的变化和蒸馏水吸收CO₂过程中试管内气体压强的变化，下方是烧杯中水浴温度。注入两种液体时，试管中气压瞬间增大，随反应的开始，又减小，因此，反应开始时两曲线有相似的波峰。