硅酸钠溶液与二氧化碳反应实验的改进

李延安　李周平

摘要： 对传统的硅酸钠溶液与二氧化碳反应实验的改进，用注射器将饱和硅酸钠溶液注入盛有二氧化碳的自封袋中，快速振荡自封袋，约30秒后可以看到有大量的白色胶状沉淀，用手触摸可感受到柔软而有弹性的凝胶状固体。改进后的实验操作简单，反应速率快，实验现象明显，适合课堂演示或学生分组实验。

关键词： 硅酸钠溶液； 二氧化碳； 白色胶状沉淀； 实验改进

文章编号： 10056629（2023）10006103 中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 问题提出

硅酸的酸性弱于碳酸，硅酸钠溶液和二氧化碳反应可以生成硅酸，在中学化学教学中有两个经典的实验装置如图1所示。利用该装置既可以证明硫酸和盐酸的酸性强于碳酸，碳酸的酸性强于硅酸，也可以证明碳原子的得电子能力强于硅原子。

一般认为只要在硅酸钠溶液中通入二氧化碳气体，就会有白色沉淀产生。本学期我校一位教师参加市教学能手评选，抽取的课题为鲁科版高中化学必修第二册第一章第三节“预测元素及其化合物的性质”，其中的一个问题是：比较碳、硅、磷元素的性质［1］。我们在准备这一节课的内容时，利用图1装置比较碳原子和硅原子的得电子能力，盐酸加到大理石中反应产生了气泡，但在硅酸钠溶液中通入二氧化碳气体大约10分钟，却仍未看到有白色胶状沉淀产生。于是分析讨论实验失败可能有的多种原因。很巧，正当把原因分析完之后，试管内产生了白色胶状物，这不就是不溶性的硅酸沉淀吗？

继续对上述问题进行讨论。在硅酸钠溶液中看到了有明显的气泡产生，则说明该装置的气密性良好、药品也未发生变质；二氧化碳气体通入硅酸钠溶液中10分钟，且导管伸入到了液面下方，说明气体能与硅酸钠溶液充分接触。通过以上分析可得，白色沉淀出现慢，只能说明硅酸钠溶液和二氧化碳反应的速率太慢了。如何设计一个简单且又高效的装置来完成该实验呢？通过查阅大量的文献资料，反复做了多次实验，设计出了以下硅酸钠溶液和二氧化碳反应的简单高效的实验装置。

2 实验改进思路

查得H2CO3和H2SiO3的电离常数如下［2］：H2CO3的电离常数Ka1=4.3×10-7、 Ka2=5.61×10-11；硅酸的电离常数Ka1=2.2×10-10、 Ka2=2×10-12。按照“强酸制弱酸”的经验规律，可以用饱和Na2SiO3溶液与CO2反应制取硅酸凝胶［3］。从理论上分析，该反应是能够发生的，但需要提高该反应的速率。

根据影响化学反应的因素，要加快化学反应的速率应采取的措施为：（1）增大反应物的浓度。在实验过程中使用饱和硅酸钠溶液。（2）增大接触面积。由于在试管中难以增大反应物和气体的接触面积，可在自封袋中让硅酸钠溶液和二氧化碳充分接触，也可以加强振荡，既增大二氧化碳与硅酸钠的接触面积，又能防止二氧化碳大量逸出造成药品浪费。（3）升高体系的温度。如果在（1）和（2）的条件下反应速率仍比较慢，可以把封好的自封袋放入盛有热水的烧杯中进行加热。

3 实验的改进

3.1 实验用品

自封袋（8cm×12cm，透明塑料制成，带自封条）、饱和硅酸钠溶液、注射器、二氧化碳

3.2 实验步骤

（1） 在自封袋中收集二氧化碳气体，当自封袋明显鼓起时，停止收集气体，拉好自封条，用手轻轻地按一下鼓起的自封袋，确认自封袋已封好。

（2） 用注射器吸入10mL饱和硅酸钠溶液，轻轻地把自封袋的一端打开一小缝，将注射器的针頭从小缝中伸入到自封袋中，用手捏住自封袋袋口和注射器接触的地方（防止袋内气体逸出），快速推动注射器的活塞，将饱和硅酸钠溶液注入到自封袋中，随即拉好自封条。

（3） 用食指和拇指夹住自封袋口，振荡自封袋大约30秒左右，静置，观察实验现象。

3.3 实验现象

刚将饱和硅酸钠溶液注入到装有二氧化碳的自封袋时，自封袋中的溶液没有发生变化。振荡自封袋大约30秒，自封袋中的溶液开始略有浑浊。当看到溶液中有白色胶状物产生时，停止振荡。静置后，可以观察到自封袋内产生大量的白色胶状固体，用手进行触摸可感受到柔软而有弹性的凝胶状固体。

3.4 注意事项

（1） 使用硅酸钠的浓溶液，实验现象更明显。

（2） 在自封袋中收集二氧化碳时，先把自封条打开，把自封袋平铺在桌面上，用手掌从自封袋的底部慢慢地抹到袋口，排掉袋内的空气。

（3） 在自封袋内充气和注入硅酸钠溶液时，只需在自封条的一端打开一小缝，同时用手指捏住袋口，防止二氧化碳气体逸出。

（4） 必须快速振荡自封袋30秒以上，如果时间太短，自封袋里可能看不到有白色胶状固体产生；如果还未出现白色沉淀，则需继续振荡。

（5） 如果用盐酸制二氧化碳气体，必须通过饱和碳酸氢钠溶液除去二氧化碳中的氯化氢气体，防止氯化氢气体对实验的干扰。

（6） 为了提高课堂演示实验的效率，教师可以提前将二氧化碳收集到自封袋中，收集二氧化碳气体之前需要检查自封袋是否漏气。

3.5 实验优点

（1） 实验现象清晰、直观。利用透明自封袋代替试管作为反应容器，学生的视野和触觉不受容器的限制，能更加直观地观察和触摸到硅酸的颜色和状态。这也是一次与化学亲密接触、感悟化学的机会。

（2） 实验的效率非常高。从开始实验到观察到有明显的实验现象，大约只需要1分钟左右，实验的成功率几乎为100%。

（3） 消耗药品少、有益环保。做完一次实验只需要少量的二氧化碳气体，同时不产生污染。

（4） 实验操作步骤简洁明了，非常适合课堂上教师演示或开展学生的分组实验。

（5） 可以分阶段显示硅酸胶体的生成和胶体的聚沉。当在自封袋中加入硅酸钠溶液后，振荡3～5秒，用可见光路照射自封袋中的液体时，可以看到一条光亮的通路。继续振荡时，可以在自封袋中看到有大量的白色胶状固体产生。实验的过程加深了学生对硅酸胶体的检验和认识，同时也体会到了振荡能促进胶体的聚沉。这非常符合化学教学的实际需求，有利于化学学科核心素养的落实。

（6） 普适性强。无论自封袋里通入的二氧化碳气体是少量还是足量，都可以看到有白色胶状沉淀产生。利用该装置还可以进行某些气体和液体、固体与液体的反应等实验。由于塑料袋透明有弹性，且密封性好，使实验操作安全、方便、易观察。

（7） 由于生成的硅酸是在密闭的体系中保存，不易变质。在学习硅酸和硅酸盐的性质时可以继续循环利用。

4 结语

课题研究源于教师在教学中遇到的实际问题，目的是寻找解决实验失败的原因。硅酸钠溶液和二氧化碳反应开始时，刚生成的硅酸是以单分子硅酸形式存在于溶液中，并不立即形成白色胶状沉淀。经过振荡自封袋，硅酸就逐渐缩合成多硅酸，形成硅酸溶胶。硅酸溶胶遇到电解质发生了胶体的聚沉，产生不溶性的白色胶状沉淀即硅酸凝胶［4］。教师紧扣失败的关键原因，立足于如何加快反应速率对实验进行了改进，设计出了硅酸钠溶液与二氧化碳快速反应的高效方法，并对实验装置进行了拓展：在此装置中还设计了铜与浓、稀硝酸的反应，氯气与氢氧化钠溶液的反应、二氧化硫与高锰酸钾溶液的反应、乙烯与高锰酸钾溶液的反应等实验，这些实验在全市实验教学中得到了推广，收到了非常好的教学效果，受到了广大师生的欢迎。

参考文献：

［1］王磊， 陈光巨主编. 普通高中教科书·化学必修第二册［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 67.

［2］北京师范大学等编. 无机化学（下）（第四版）［M］. 北京： 高等教育出版社， 2003： 567～578.

［3］徐小健. 硅酸钠溶液与酸反应的实验探究［J］. 化学教学， 2018，（4）： 72～74.

［4］朱正德. 从制备硅酸凝胶的实验探究谈“强酸制弱酸”规律［J］. 化学教学， 2013，（5）： 49～50.

*山东省滨州市中小学强课提质行动专项课题“新课程背景下高中化学生本教学策略研究”（课题编号：BZQK202217）的研究成果之一。