巧借乡土素材 助推实验创新 提升学科素养

史培艳

摘要：为探究碳酸钠、碳酸氢钠与酸反应的剧烈程度的本质，引导乡村学生巧借乡土素材，利用实验室仪器纽装实验装置进行实验探究;通过文献查阅，实验创新，融合布伦斯特酸碱理论、碱平衡常数、路易斯酸碱理论、路易斯碱结构等分析CO3-、HC03与H+结合能力的证据。宏观实验、微观分析、证据推理等相结合，得出碳酸氢钠与酸反应产生气泡剧烈程度强于碳酸钠，碳酸氢钠与质子结合能力弱于碳酸钠。

关键词：乡土素材;实验创新;化学学科核心素养;碳酸钠;碳酸氢钠

文章编号：1008-0546（ 2020）08-0082-05

中图分类号：C632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.08.023

化学实验是化学教学重要手段，是课堂探究主要活动，是开展“素养为本”教学最有效的形式。教师通过引导学生创新实验，能激发学生学习化学兴趣，培养学生观察、质疑、思考、分析、比较、抽象、概括等思维能力，促进学生学习方式改变，进一步提升学生化学学科核心素养。

一、问题的提出

1.教材中实验

《碳酸钠的性质与应用》是苏教版《化学1》中专题2第二单元重点内容之一，其中碳酸钠、碳酸氢钠性质比较是本节课重点。如图1装置，将滴管中的浓盐酸加入瓶中，观察实验现象。教材中Na2C03、NaHC03与酸反应对比的观点是“都放出C02气体，但NaHC03与酸反应的剧烈程度强于Na2C03”[1]。

存在问题是使用浓盐酸与未知浓度的碳酸钠、碳酸氢钠溶液反应，可能会出现反应剧烈程度相似的现象，导致无法进行性质比较。

2.学生的疑惑

《普通高中化学课程标准（2017年版）》要求对碳酸钠与碳酸氢钠的性质进行比较学习[2]。在比较学习过程中，有的学生疑惑：“同浓度Na2C03溶液的pH大于NaHCO3溶液的pH，说明Na2CO3与水电离的H+结合能力强于NaHCO3，Na2CO3、NaHCO3与酸反应实质是C03-、HCO3与酸电离出的H+反应，则CO2-与H+反应快，即Na2CO3与酸反应的剧烈程度强于NaHCO3，只是微观上反应快肉眼看不到而已”。Na2CO3、NaHCO3与酸反应的剧烈程度具体是指什么？

3.研究的现状

通过文献查阅，了解到很多一线教师对碳酸钠、碳酸氢钠与酸反应进行实验探索，对实验装置进行改进，改进的主要几种类型装置及实验结论见表l。

4.本文的目的

自从波意耳提出现代化学，多数化学家认为“化学是一门以实验为基础的科学”。著名的化学教育家戴安邦先生也说过：“化学实验教学是实施全面的化学教育的一种最有效的教学形式。”然而，量子化学的发展将化学带入新时代，中科院上海有机所退休研究员、博导陈敏伯说：“化学不再是纯实验化学。”[15]通过本实验创新、理论搜集、数据分析，让学生了解化学是“实验、理论、计算”于一身的科学。

乡村中学没有先进的传感器，更没有能体现粒子之间反应的设备。为了反映碳酸钠、碳酸氢钠与酸反应情况及反应本质，本研究目的是（1）利用实验室的仪器、药品和乡土素材进行实验创新，在实验过程中，学生仔细观察并描述实验现象，总结实验结论;（2）搜集相关数据、理论、微观结构等证据，分析碳酸钠、碳酸氢钠与酸反应本质，从宏观和微观角度准确描述反应的剧烈程度是指什么;（3）通过宏观实验、微观分析、证据推理等，提升学生化学学科核心素养，见图2。

二、实验创新

1.实验仪器及药品

软塑料药瓶、注射器、输液管、输液用开關、纱布、用完的圆珠笔芯、铁架台、表面皿。

0.2mol/L碳酸钠溶液、0.2mol/L碳酸氢钠溶液、1.0mol/L柠檬酸溶液、饱和碳酸钠溶液、饱和碳酸氢钠溶液、酚酞、溴百里香酚蓝、502胶水。

2.实验装置

改进后的实验装置（图3）：用软塑料药瓶作反应器，用部分输液管和圆珠笔芯做导管，导管上套医用开关。导管有长短两种，长导管伸入塑料药瓶中，下端靠近塑料瓶底部，滴加柠檬酸溶液用;短导管刚伸人塑料瓶口，导气用;导管另一端连接注射器。将装置固定在铁架台上。

3.实验操作及现象

（1）加料：向塑料药瓶中加入约60.0mL 0.2mol/L碳酸钠、碳酸氢钠溶液，滴加2滴酚酞（酚酞变色pH范围：←无色=8.2-粉红-10.0-红色→）。碳酸钠、碳酸氢钠溶液分别呈玫瑰红、粉色。内侧注射器分别取约30.0mL 1.0mol/L柠檬酸溶液，并使长导管充满柠檬酸，赶走长导管中空气，此时注射器中液面刻度值约为29.5mL。

（2）赶气：关上连接装有盐酸注射器导管上的开关，打开连接用于收集气体注射器导管上的开关，挤压塑料瓶，赶走空气，关上开关。塑料瓶未恢复到原来形状，说明装置的气密性很好。

（3）粘布并染布：取下外侧2支用于收集气体的注射器的活塞，在活塞分别用502胶水粘上等大的白色纱布条。表面皿上加入约2mL饱和碳酸钠、碳酸氢钠溶液，并滴加2滴溴百里香酚蓝，溶液分别呈蓝紫色、蓝色;将活塞上纱布分别浸泡在蓝紫色、蓝色溶液中。染色后，将活塞和纱布一起塞人注射器中，把活塞推至底部，赶走空气，连接导管。过程如图4。

（4）加酸：打开所有开关，同时向反应器中缓慢加入约1.0mol/L柠檬酸（不挥发，制得CO2较纯），反应器中粉色消失快，并快速产生气泡，反应器鼓起，收集气体的注射器活塞上移，蓝色纱布（增大溶液与气体的接触面）快速变为绿色后变为黄色;另一反应器中玫瑰红逐渐变浅至无色，先无气泡，后产生气泡，反应器缓慢鼓起，注射器中活塞缓慢上移，上移到顶后又缓慢下移，纱布条由蓝紫色先变为蓝色，后蓝色变为绿色，上边绿色变黄。如图5。

（5）纱布变色分析：溴百里香酚蓝也称溴麝香草酚蓝，是一种酸碱指示剂，变色pH范围：←黄色-6.0-绿色- 7.6-蓝色→，饱和碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液中滴加溴百里香酚蓝分别呈蓝紫色和蓝色。在生物学中，根据溴百里香酚蓝色泽差异显著，颜色由蓝变绿再变黄特点，常用来检测CO2[16]。外侧注射器中活塞上移快慢不同，装碳酸氢钠溶液对应外侧注射器活塞上移速度快，且蓝色纱布变绿到黄变化快;装碳酸钠溶液对应外侧注射器活塞上移速度慢，且蓝紫色纱布变绿慢，过一段时间，因CO2与碳酸钠溶液反应，内压减小，活塞又下移一部分。

4.实验原理及结论

（1）反应器中微观原理

碳酸钠、碳酸氢钠溶液与柠檬酸反应，实质是碳酸根、碳酸氢根水解产生的OH-优先与柠檬酸电离的H+反应，OH-浓度减小，使平衡不断向水解方向移动，当OH-消耗完，HCO3与H+反应，生成H2CO3，因H2CO3不稳定发生分解生成CO2。碳酸钠溶液中OH-浓度大，结合质子需要时间偏长，所以，碳酸钠溶液中红色褪色慢，产生气泡慢。

（2）注射器中微观原理

碳酸钠溶液与CO2反应，实质是碳酸根水解产生的OH-优先与碳酸电离的H+反应，OH-浓度减小，使平衡不断向水解方向移动，HCO3不断增多，OH-被消耗。HCO3与碳酸不反应，多余的CO2与水反应，CO2+H2O==H2CO3=HCO3+ H+，碳酸电离程度强于碳酸氢跟水解程度，使溶液由原来碱性变为弱酸性。

（3）实验结论

同浓度、同体积的碳酸钠、碳酸氢钠溶液同时与酸反应，NaHCO3与酸反应产生气泡剧烈程度强于Na2CO3。CO3-能奪走H2CO3中H+，而HC03不能夺走H2CO3中H+，说明CO3-结合H+能力强于HCO3，即Na2C03结合质子剧烈程度强于NaHCO3。 5.证据推理 根据物质之间转化事实、碱平衡常数、粒子微观结构分析，比较Na2CO3、NaHCO3与酸反应的本质特征（表2）。

6.实验创新之处

（1）形成封闭体系，使用软塑料药瓶，便于挤压，赶走空气，打破常规排空气法收集气体。

（2）使用柠檬酸代替盐酸，CO2气体中不会有氯化氢气体，收集的CO2较纯。

（3）根据同时逐次加入柠檬酸，溶液、纱布颜色变化、活塞移动现象，对比性强，便于对比分析宏观现象差异原因。该实验装置实现柠檬酸分别与碳酸钠、碳酸氢钠溶液反应和CO2与碳酸钠溶液反应的一体化。

（4）根据布伦斯特酸碱理论即质子理论，利用碱常数分析碳酸钠、碳酸氢钠接受质子能力;根据路易斯酸碱理论，利用路易斯结构分析，碳酸钠、碳酸氢钠给予电子对的数量有差异，CO3-路易斯结构中孤电子对数比HCO3中多一对，CO3-比HCO3更易接受质子。利用证据分析、推理，通过结构模型解释反应本质，培养学生证据推理与模型认知素养。

（5）根据宏观辨识和微观探析，得出碳酸氢钠与酸反应产生气泡剧烈程度强于碳酸钠，但碳酸钠接受质子剧烈程度强于碳酸氢钠。

三、实验反思

从生活中学习化学，引导学生把生活知识和理论知识融合进行实验创新，巧借乡土素材，助推实验创新对比分析。学生在真实实验情境中亲身体验学习过程，宏观上理解物质性质差异，微观上掌握了微粒变化的本质。文献与实验结合，进行深度分析，促进学生学习方式转变，实现深度学习，提升学生化学学科核心素养。

参考文献

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