“氢氧化钠与二氧化碳反应”实验的简约化设计

姜跟华

摘要：氢氧化钠与二氧化碳反应，通常没有明显的实验现象，学生易产生“实证”盲点。在分析已有实验设计方案的基础上，不断实践与总结，设计了简约化实验方案，取得了非常好的实验效果。

关键词：氢氧化钠：二氧化碳；简约化：设计

文章编号：1008-0546（ 2022 ）11x-0087-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.11x.022

一、问题提出

“氢氧化钠与二氧化碳反应”是氢氧化钠的化学性质之一，更是初中化学非常重要的知识点。人教版九年级化学下册56页指出：“氢氧化钠在空气中不仅吸收水分，还会发生下列反应2NaOH+CO2= Na2CO3+H2O”。它对帮助学生认识“氢氧化钠必须密封保存”“碱可以与某些非金属氧化物反应”等有著重要的意义。然而教学时却发现一些问题：（1）教材没有编排相关探究实验，而是直接给出化学方程式，减少了学生自主探究的机会，不利于学生学科素养的提升，较难体现学科的特点和育人价值；（2）将二氧化碳气体通人到氢氧化钠溶液中，通常没有明显的实验现象，学生易产生“实证”盲点，失去了“实验是化学最高法庭”的本真；（3）遵循教材、教参意图，以氢氧化钙为参照物，通过类比方式来讲解该反应原理，学生缺乏直观的感性认知，教学效果不理想。实验是化学的灵魂，探究是学生学习的主要方式，如何设计创新实验，将氢氧化钠与二氧化碳反应现象由“看不见”变为“看得见”？帮助学生理解和掌握该反应原理，成为笔者迫切想解决的问题。

二、已有设计

化学变化不但生成其他物质，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。上述可观察到的现象，常常可以帮助我们判断物质是否发生了化学变化。[1]笔者通过中国知网、万方数据库等平台查阅相关资料，发现很多教师对该反应进行了研究，设计的实验方案创新选出，令人回味，其设计归纳起来可以分为以下几种。

1．从气体压强变化设计实验

利用密闭容器内气体被消耗而导致压强减小的原理，来设计有明显现象的实验，是目前最主要的实验设计方向。

谢丹敏和汤中华用向上排空气法将U型管中收集满二氧化碳，塞上橡皮塞，然后将U型管两侧分别插入等体积的水和NaOH溶液中，再用镊子取下橡皮塞，可观察到左侧玻璃管内液面比右侧液面高（如图1所示）。[2]

褚衍伟利用了压强与沸点的关系设计实验。他将20 mL的水注入到A锥形瓶中，振荡后观察无现象，然后又将20 mL浓NaOH溶液迅速注入到锥形瓶A中，振荡，观察到B锥形瓶中的水剧烈沸腾起来（如图2所示）。[3]

通常情况下，1体积水只能溶解1体积二氧化碳。陈立铭和李德前将5 mL 10%的氢氧化钠溶液慢慢注射到集气瓶中，发现至少有50 mL的二氧化碳气体被吸收，除去5 mL水吸收的5 mL二氧化碳气体，显然约有45 mL的二氧化碳气体是被氢氧化钠吸收的（如图3所示）。[4]

此外还有的研究者用瓶子变瘪法、气球法、喷泉法、瓶吞鸡蛋法等来设计实验。[5]

2．从氢氧化钠浓度变化设计实验

突破固定思维束缚，从另一反应物人手，检验OH一离子浓度变化也成为研究者的设计思路。

耿元元将10%的NaOH溶液滴入到百里酚酞指示剂中，直至溶液恰好呈蓝色，然后把蓝色溶液喷在白色滤纸上，把滤纸放入盛满CO2的集气瓶中，摇晃，可观察到滤纸由蓝色变成无色；则证明NaOH与CO2发生了反应（如图4所示）。[6]

夏琴等向一定浓度的紫甘蓝汁稀释液中加入200 mL 0.1 mol-L -1的氢氧化钠溶液，然后将pH传感器浸入混合液中，连接数据采集器，投入几块干冰，测定溶液的pH变化，通过观察溶液酸碱度和溶液颜色的变化，从定性和定量二个维度来证明氢氧化钠与二氧化碳发生了反应（如图5所示）。[7]

3．碳酸钠产物检验设计实验

化学变化的主要特征是有新物质生成。利用碳酸钠与氢氧化钠性质的不同，检验溶液中是否有碳酸钠存在，从而确定是否发生了反应，也成为许多研究者设计的方向。

杨光梅等利用碳酸钠易溶于水而难溶于酒精的性质，将二氧化碳依次通过NaOH的水溶液和NaOH酒精溶液中，发现NaOH水溶液无明显现象，而NaOH的酒精溶液中却可以看到白色浑浊，从而证明有新物质生成，真正实现了反应本身由“无现象”变为“有现象”（如图6所示）。[8]

赵永胜和朱莉将二氧化碳气体通入氢氧化钠溶液中一会儿，然后加热上述溶液，冷却，再向溶液中滴加足量稀盐酸，可观察到气泡产生，验证有碳酸钠存在，从而确定氢氧化钠与二氧化碳发生了反应（如图7所示）；此外，他们还提出可以用Ca（OH）2或BaCl2溶液来检验碳酸钠是否存在。[5]

纵观上述实验设计，各位研究者在实验可视化方面都做出了积极的探索。笔者同时也发现了一些问题：（1）有些实验操作比较繁琐，不简约，不利于师生操作；（2）有些实验设想与实际情形存在差距，成功率偏低（如褚衍伟的液体沸腾设计等）；（3）有些实验使用的仪器普及率不高，在实际教学中难以被借鉴（如数字化实验等）；（4）有些实验设计远离人教版的知识体系（此时还未学习中和反应和盐的化学性质），未考虑到学生的知识结构和认知能力，为了“设计”而设计（如使用酸、碱或盐来检验碳酸钠等）。基于以上分析与思考，笔者有了设想：能否从生成物水的视角来设计实验呢？反应通常伴随着能量的变化，能否从能量的视角证明反应的发生呢？为此，笔者进行了实验设计，并不断实践与优化，最终形成了如下简约化的实验，实验效果令人满意。

三、“氢氧化钠与二氧化碳反应”实验的简约化设计

1．实验用品

二氧化碳氣体、氢氧化钠固体、集气瓶、研钵、药匙等。

2．实验操作

（1）取一个250 mL集气瓶，用向上排空气法收集一瓶干燥的二氧化碳气体，备用；

（2）用研钵将氢氧化钠固体尽可能研细，装入试剂瓶中；

（3）取2药匙氢氧化钠粉末加入到盛有二氧化碳气体的集气瓶中，快速盖好玻璃片，上下振荡，观察实验现象；同时用手触摸集气瓶（黏有固体的部位），感受温度的变化。

3．实验说明

（1）250 mL集气瓶可以提供比较多的二氧化碳气体参与反应（相对于125 mL），使实验现象更明显。

（2）选用集气瓶作为反应容器，符合学生的一般认知（用集气瓶收集气体），更重要的原因在于它有适中的厚度（相对于矿泉水瓶）、适宜的导热性能，可以避免反应放出的热量将手烫伤，更不会将容器烫穿。

（3）使用固体氢氧化钠作为反应物，可以排除外来水的干扰，实现从水的视角证明反应的发生；同时将固体氢氧化钠进行研磨（越细越好），目的是增大固体与气体的接触面积，使其充分、快速反应，缩短实验时间，观察到更明显的实验现象。

（4）实验过程中，可观察到固体粉末形成糊状而黏在容器壁上，同时大约30秒后固体周围出现很多小水珠；用手触摸瓶壁可明显感觉到热，真正实现了“可视可感”的实验现象，从多个维度来证明反应的发生。

4．实验优点

（1）装置简约，操作简便。利用最简约的实验装置（集气瓶），进行最简便的“研磨”“振荡”操作，不需要增加额外实验（如进行对比实验或产物检验实验等），就可实现实验现象的“看得见”。立足简约，又不失创新。

（2）效果显著，师生可用。虽然只进行简约化设计，但注重实验细节，完美地解决了“看不见”问题，实验成功率达100%；实验在1 min左右即可完成，达到了“简约而不简单”的效果。

四、实验思考

氢氧化钠与二氧化碳反应除了生成水，还生成了碳酸钠，笔者就有了一个想法：能否从碳酸钠视角重新设计实验，既能满足装置的简约化、操作的简单化和现象的可视化，还能适应学生的知识结构和认知能力呢？为此笔者将二氧化碳气体分别通人不同浓度的氢氧化钠溶液中。惊奇地发现饱和氢氧化钠溶液逐渐变浑浊，30 s左右液体会全部变为糊状固体；用手触摸试管外壁，有发热的感觉。这是为什么呢？笔者查阅资料、仔细分析，终于找到了答案，原来在氢氧化钠与二氧化碳的反应中，生成的碳酸钠质量远大于参加反应的氢氧化钠质量，而相同温度下碳酸钠的溶解度又远远小于氢氧化钠的溶解度（如表1所示），使用饱和氢氧化钠溶液进行实验，生成碳酸钠的质量会远远超过此时碳酸钠的溶解极限，从而碳酸钠以晶体形式析出，出现了“看得见”的实验现象。

立足于教材，设计简约化的实验，回归教学原点，让学生在“做中学”、在“学中思”，亲身体验氢氧化钠与二氧化碳反应的真实发生，培养了学生创新意识和证据意识。当然二氧化碳和氢氧化钠反应的简约化设计肯定远不止这些，期待与更多的同仁一起碰撞出更好的创意。

参考文献

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心．义务教育教科书（化学九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012．

[2]谢丹敏，汤中华．封闭U型管在对比实验中的应用[J].化学教学，2016（04）：81-84.

[3]褚衍伟．CO：与NaOH溶液反应实验的趣味化设计[J]．化学教学，2014（02）：40.

[4]陈立铭，李德前，基于量的角度设计“氢氧化钠溶液与二氧化碳反应”的实验[J].化学教育，2014，35 （23）：50-51．

[5]赵永胜，朱莉．验证二氧化碳与氢氧化钠反应的实验方案[J]．化学教与学，2013（12）：85-88．

[6]耿元元．氢氧化钠溶液与二氧化碳反应实验的四种新设计[J].化学教与学，2018（09）：85-87.

[7]夏琴，杨砚宁，毛明．利用紫甘蓝汁和pH传感器探究二氧化碳与氢氧化钠溶液的反应[J].化学教学，2016 （10）：39-41．

[8]杨光梅，徐世银，傅雪伟，氢氧化钠与二氧化碳反应的实验设计——将反应由“看不见”变为“看得见”[J]．中学化学教学参考，2017（20）：51．

[9] 李梦龙．化学数据速查手册[M].北京：化学工业出版社，2003：151-152．