“二氧化碳与氢氧化钠反应”的数字化实验设计

2017-11-14周文荣

化学教学 2017年10期

周文荣

摘要：以初中化学“二氧化碳与氢氧化钠反应”为例，分析对该实验的研究现状和发展趋势，从四个不同视角设计数字技术用于二氧化碳与氢氧化钠反应的实验。在此基础上，从证据意识、学科本质、技术运用、信息素养四个维度作思考，旨在树立探究无明显现象反应发生的证据意识，加深对学科本质的理解，促进数字技术运用，提升化学信息素养。

关键词：二氧化碳；氢氧化钠；无明显现象反应；数字化技术；实验设计

文章编号：1005–6629（2017）10–0058–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

观察是化学学习的重要方法[1]。对于有明显现象的反应，可以通过观察获得直接的证据，例如对物质的状态与颜色的变化、发光、发热、形成烟雾、放出气体、生成沉淀等进行分析、推理和归纳等。然而，有些化学反应没有明显的现象，一些教师便轻描淡写一带而过，取而代之的是大量机械训练，缺失了让学生自主探究、自主体验的机会，阻碍了学生学科能力、学科素养的发展。如何探究没有明显现象的反应发生过程，关键在于实现从“无”到“有”的转化。通过改变视角，设计实验产生明显现象，收集间接证据从而来证明。笔者着重以CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O反应为例，思考“探究无明显现象的反应发生”的数字化实验设计。

1 探究“二氧化碳与氢氧化钠反应”实验设计的文献评述

1.1 研究現状

二氧化碳与氢氧化钠反应是初中化学常见而又重要的反应，许多一线教师拓宽视角，深入挖掘，设计了系列方法来探究该反应的发生。常见的方法有以下五种类型：

1.1.1 产物检验法

产物检验法主要是根据产物的性质，通过实验检验是否有碳酸钠生成，从而获得证据证明CO2与NaOH溶液发生了反应。常见的方法见表1。

1.1.2 压强变化法

压强变化法是指在密闭容器中由于二氧化碳的消耗导致压强变化，从而利用压强变化设计实验产生明显现象的方法。常见的方法见表2。

由于氢氧化钠溶液中含有水，水也可以吸收一些二氧化碳气体，导致压强减小，因此，许多教师设计了对照实验来排除水的干扰。常见方法见表3。

1.1.3 定量测定法

在通常情况下，1体积水中大约能溶解1体积二氧化碳气体。定量测定法是利用一定体积的二氧化碳与一定体积的氢氧化钠溶液反应，设计实验检验二氧化碳减少的体积来证明CO2与NaOH溶液发生了反应。常见方法见表4。

1.1.4 直接证明法

二氧化碳与氢氧化钠反应实验大多数是在水溶液中进行的。由于生成物碳酸钠也易溶于水，所以观察不到明显明显反应现象。一些教师设计了如下实验进行直接证明，效果明显。具体方法见表5。

1.1.5 pH检验法

pH检验法主要是通过滴加酚酞试液、使用pH试纸、pH计（如图1）、pH传感器等方法，通过观察颜色变化或pH的变化来证明CO2与NaOH溶液发生了反应。

1.2 发展趋势

纵观上述实验设计，一线教师在实验创新上进行了非常细致的、有深度的研究，为后续研究提供了宝贵的学习资源和借鉴机会。同时，也给后续进一步研究留下了一定的空间。

（1）已有的研究主要集中在密闭容器压强的变化、产物的检验、pH的变化等视角，对于CO2浓度的变化、反应体系能量的变化等视角还有很大的研究空间。

（2）已有的研究主要以反应的结果作为间接证据，无法将CO2与NaOH反应的过程从数据和视觉上连续地呈现出来。同时，无法体现反应过程中CO2浓度、反应体系压强、反应体系能量之间的同步变化情况。

（3）已有的研究主要集中在对装置的设计和改进上，虽然也有一些教师尝试使用传感器对此实验进行了研究，但主要还是停留在某一方面的视角上。随着科技的发展，实验创新逐渐从传统走向现代，数字技术已经逐渐应用于化学实验中，为系统地、多视角地探究CO2与NaOH发生反应拓展了空间。

2 探究数字技术用于CO2与NaOH反应的数字化实验设计

数字化实验主要由传感器、数据采集器、电脑及相关应用软件构成。压强传感器、二氧化碳传感器、温度传感器、pH传感器分别用于检测密闭体系内的气压、CO2浓度、温度、溶液的pH变化，并以数字、曲线等多种形式形象地显示出来。

2.1 反应容器内压强变化的视角

2.1.1 实验仪器和实验药品

实验仪器：具支锥形瓶、注射器、分液漏斗、锥形瓶、导管、橡皮塞、压强传感器、数据采集器、电脑

实验药品：氢氧化钠溶液、石灰石、稀盐酸

2.1.2 实验装置

实验装置见图2。

2.1.3 操作要点

（1）检查装置气密性。

（2）按图2连接好装置，在具支锥形瓶中收集CO2气体，设置好采集频率、采集时间。

（3）将NaOH溶液全部推入具支锥形瓶中，点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮，观察电脑屏幕上的曲线变化。endprint

（4）将注射器中的NaOH溶液换成等量的水重复上面的操作。

2.1.4 实验现象和结论

实验现象如图3，由压强传感器采集的数据绘制成的曲线呈不断下降的趋势，且CO2与NaOH反应比CO2与水反应变化更明显。上述现象从密闭容器内压强减小的视角说明CO2和NaOH溶液发生了反应，而不仅仅是溶于水或与水发生了反应。

2.2 反应物CO2浓度变化的视角

2.2.1 实验仪器和实验药品

实验仪器：三颈烧瓶、注射器、分液漏斗、锥形瓶、导管、橡皮塞、CO2传感器、数据采集器、电脑

实验药品：NaOH溶液、石灰石、稀盐酸

2.2.2 实验装置

实验装置见图4。

2.2.3 操作要点

实验操作步骤同“利用压强传感器探究CO2与NaOH反应”。

2.2.4 实验现象和结论

实验现象如图5，由CO2传感器采集的数据绘制成的曲线呈不断下降的趋势，且CO2与NaOH反应比CO2与水反应变化更明显。上述现象从反应物CO2浓度的减少视角说明了CO2和NaOH发生了反应，而不仅仅是溶于水或与水发生了反应。（说明：目前中学实验室使用的各种品牌的CO2传感器量程最大为100000ppm，所以一开始CO2浓度和时间曲线看似没有变化，实际上也是呈不断下降趋势的。）

2.3 反應物NaOH浓度变化的视角

2.3.1 实验仪器和实验药品

实验仪器：烧杯、分液漏斗、锥形瓶、导管、橡皮塞、pH传感器、数据采集器、电脑

实验药品：NaOH溶液、石灰石、稀盐酸

2.3.2 实验装置

实验装置见图6。

2.3.3 操作要点

（1）在锥形瓶和分液漏斗中加适量大理石和稀盐酸，将pH传感器、装有NaOH溶液的锥形瓶、数据采集器及电脑连接好，设置好采集频率、采集时间。（说明：基于初中学生的已有基础，同时考虑到在课上演示的实验效果，本实验使用pH在12～13之间的NaOH溶液。）

（2）打开分液漏斗活塞，把稀盐酸滴入锥形瓶中，点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮，观察电脑屏幕上的曲线变化。

2.3.4 实验现象和结论

实验现象如图7，由pH传感器采集的数据绘制成的曲线呈不断下降的趋势。此现象从另一个反应物NaOH中OH-离子浓度减少的视角说明了CO2和NaOH发生了反应。

2.4 反应能量变化的视角

2.4.1 实验仪器和实验药品

实验仪器：锥形瓶、注射器、分液漏斗、锥形瓶、导管、橡皮塞、温度传感器、数据采集器、电脑

实验药品：NaOH溶液、石灰石、稀盐酸

2.4.2 实验装置

实验装置见图8。

2.4.3 操作要点

实验操作步骤同“利用压强传感器探究CO2与NaOH反应”。

2.4.4 实验现象和结论

实验现象如图9，由温度传感器采集的数据绘制成的曲线呈不断上升的趋势，且CO2与NaOH反应比CO2与水反应变化更明显。上述现象从能量变化的视角说明了CO2和NaOH发生了反应，而不仅仅是溶于水或与水发生了反应。

3 基于探究CO2与NaOH反应数字化实验设计的思考

3.1 树立反应发生的证据意识

探究没有明显现象的反应发生过程，要注重培养学生的证据意识，能对物质的变化提出可能的假设，设计实验收集证据，基于证据进行分析推理加以证实或证伪。证据的类型可以是感官感知的，也可以是借助技术记录的。探究化学反应发生的证据见表6。

3.2 体现化学变化的学科本质

从宏观的角度，化学变化不仅仅有新物质的生成，还常常伴随着能量、压强、浓度等的变化。CO2与NaOH反应的数字化实验设计帮助我们从多个维度探究反应的发生，体现了化学变化的学科本质。从化学变化的学科本质出发，还可以设计如图10装置，具体操作同“利用压强传感器探究CO2与NaOH反应”，现象同图3、图5、图9。

通过此实验装置实现了观察气压、CO2浓度、温度三者的同步变化。

3.3 拓展实验创新的技术视角

创新实践是中国学生发展六大核心素养之一，传统实验创新重点在实验装置的整合与改进、实验试剂的选择及实验原理的完善上。数字化实验技术应用于实验，可让化学实验从传统走向现代，为实验的设计拓展了创新的视角。通过不同类型传感器、数据采集器和计算机代替传统实验仪器中用眼、手、纸和笔对现象、数据的记录和分析，为无明显现象的反应设计“可视化”过程的实验打开了方便之门，为对照实验同步化设计提供了技术支持，为传统实验仪器无法完成的定量实验的创新设计提供了有力保障。

3.4 提升学生发展的信息素养

随着信息技术的发展，人类进入了信息时代。化学信息素养是现代社会人所必须具备的基本信息素养，是学生科学素养和化学学习能力的重要组成部分，它与学生理解化学学科、学会实验探究、解决化学问题等化学学科素养的形成是互相融合的，是化学教学必须协同培养的基本素养之一[4]。数字化实验的创新设计是渗透师生信息素养培育的有效途径。教师利用数字技术用于实验教学时，在关注学科知识学习的同时，要注重引导学生应用技术来解决问题，通过把技术的功能与学科知识相结合，让学生把技术作为获取知识和加工信息、解决问题的工具，从而有效提升学生的信息素养。