碳酸钠和碳酸氢钠与稀盐酸反应实验的创新设计

伍强 方瑞光

摘要：为探究碳酸钠溶液与稀盐酸分步反应的机理，设计了恒压式实验装置。用该实验装置探究碳酸钠溶液与稀盐酸互滴反应的过程，解析了向碳酸钠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，有助于在教学中使学生能更好地领悟相关的化学反应原理。

关键词：碳酸钠；碳酸氢钠；互滴反应；创新设计；实验探究

文章编号：1005–6629（2016）8–0063–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

Na2CO3与盐酸发生分步反应，反应先生成NaHCO3，NaHCO3再与盐酸反应生成CO2，实验探究该分步反应的机理一直是教材和教师要解决的难点问题。在实验教学中，有两种实验探究该分步反应机理的方案。第一种方案：设计Na2CO3和NaHCO3固体与稀盐酸反应的对比实验，根据NaHCO3与稀盐酸反应比Na2CO3与稀盐酸反应剧烈的实验现象，推测Na2CO3与盐酸发生分步反应。第二种方案：设计向Na2CO3溶液中滴加稀盐酸至过量的实验，根据反应溶液的酸碱性强弱变化和生成CO2气体等实验现象，断定Na2CO3与盐酸发生分步反应。

人教版全日制普通高级中学教科书设计Na2CO3和NaHCO3固体与稀盐酸反应的对比实验来解决此难点问题。实验操作如下：“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。[1]”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固体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了一个影响因素，因此不符合对比实验的基本要求[2]。如果稀盐酸浓度较大，热效应起了明显作用，还会出现NaHCO3固体与稀盐酸反应速率比Na2CO3固体与稀盐酸反应速率小的实验现象。

1 实验设计的目的和思路

向Na2CO3溶液中滴加稀盐酸至过量发生分步反应，通常是在试管中进行，实验现象不直观，不适宜作课堂演示实验，因此教师往往忽略此实验。在教学中，教师只是在理论层面上给学生讲述分步反应的机理，学生难以理解。学生受“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。

向Na2CO3溶液中滴加稀盐酸，由于局部盐酸浓度过大，在生成NaHCO3时又会生成CO2气体，因此用磁力搅拌器搅拌反应物，使反应物充分接触生成NaHCO3。实验时产生CO2气泡，由于微小的气泡难以观察且很快消失，因此用气球收集CO2气体，根据气球大小来判断生成CO2气体的多少。Na2CO3溶液和NaHCO3溶液分别使酚酞溶液呈现红色和粉红色，因此在Na2CO3溶液中加入酚酞指示剂，滴加稀盐酸时若溶液呈现粉红色，又没有CO2气体生成，可判断Na2CO3转化为NaHCO3。

2 实验仪器及试剂

实验仪器：60mL分液漏斗（有体积刻度的）、250mL广口瓶、磁力搅拌器

实验试剂：1 mol·L-1 Na2CO3溶液、1 mol·L-1盐酸、酚酞溶液

3 实验装置的设计

设计的恒压式实验装置如图1所示。在250mL广口瓶的橡皮塞中，打三个小孔，中间小孔插入分液漏斗，两边两个小孔分别插入玻璃管，一管与气球连接，另一管用橡皮管与60mL分液漏斗上口的导管连接，要求装置气密性良好。用导管将分液漏斗上口与广口瓶连通，目的是保持压强平衡，分液漏斗中液体能顺畅流下。反应生成气体，气球增大。广口瓶置于磁力搅拌器上，磁力搅拌器用于搅拌反应物。

4 实验操作、现象和结论

实验1 向Na2CO3溶液中滴加稀盐酸至过量

（2）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气体反应速度很慢。

说明：Na2CO3溶液和CO2气体的反应是属于液相和气相反应（CO2气体溶解度不大），只有当剧烈振荡反应容器时溶液和气体湍流程度大，对流传质速率大，反应速度才快，因此现在的实验条件下反应速度很慢。对于Na2CO3溶液和CO2气体反应的实验，可做如下实验设计[6]：用500mL普通的矿泉水瓶收集CO2气体，注入17～33mL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NaHCO3晶体并出现白色浑浊现象。此实验与温度有关，气温若在15℃以上，在较短时间内就能产生明显的实验现象，非常适合于课堂演示实验。

5 实验创新的意义

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，巩固了Na2CO3溶液和NaHCO3溶液分别使无色酚酞溶液呈现红色和粉红色的实验现象。用一套实验装置完成了多个化学反应原理的实验教学，达到了一体化设计的目的。

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（必修）（第一册）[M].北京：人民教育出版社，2003：32.

[2]杨茵.浅谈对比实验在高中化学中的应用[J].化学教学，2015，（2）：34.

[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.

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

[5]中国教育学会化学教学专业委员会.全国第十二届化学实验教学创新研讨会资料汇编[G].厦门：中国教育学会化学教学专业委员会，2015：333.

[6]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）：57.