核心素养导向下无明显现象反应的可视化——以二氧化碳和氢氧化钠的反应为例

广东省中山市实验中学(528400) 曹梅姣

氢氧化钠与二氧化碳的反应是初中化学的重要反应。由于氢氧化钠与二氧化碳的反应无明显现象，所以教材中没有用实验来证明两者发生了反应。不少一线教师为了帮助学生理解此反应，设计了一些有明显现象的实验，如改变气压的“塑料瓶变瘪法”、检验生成物的“产生气泡法”等[1]。杨老师在《中学化学教学参考》2017年第10期发表的文章《氢氧化钠与二氧化碳反应的实验设计》中是这样设计实验方案的：如图1所示，在自制的W管中装入NaOH水溶液和NaOH乙醇溶液，然后往W管通入CO2，通过NaOH水溶液无明显变化而NaOH乙醇溶液出现浑浊现象，得出CO2能与NaOH反应的结论[2]。上述方法新颖、装置简单，但是实验过程易出现以下问题：①装置易倾斜，不稳定；②W管孔径小，管内液体容易被吹出；③CO2没有同时通入NaOH水溶液和NaOH乙醇溶液，对比不够严谨。笔者从实验仪器创新化、装置集成化、实验效果明显化的角度设计了改进实验装置。

图1 实验装置

1 实验装置

改进实验装置如图2所示。

图2 改进实验装置

2 实验用品

(1)仪器：锥形瓶、注射器、带胶塞导管、Y形管、针头、木块、试管夹。

(2)药品：石灰石、稀盐酸、氢氧化钠水溶液、氢氧化钠乙醇溶液、百里酚酞溶液。

3 实验原理

氢氧化钠溶于水和乙醇，碳酸钠溶于水但微溶于乙醇。当CO2分别通入氢氧化钠水溶液和氢氧化钠乙醇溶液时，前者无明显变化后者出现浑浊并形成凝胶，现象明显直观，能充分证明CO2与氢氧化钠发生了化学反应。

百里酚酞变色范围为9.4～10.6，20 ℃饱和碳酸钠溶液的pH为12.3，20 ℃饱和碳酸氢钠溶液的pH为8.1，实验中使用的NaOH溶液的pH为13。当CO2分别通入滴有百里酚酞的氢氧化钠水溶液和氢氧化钠乙醇溶液时，前者溶液由蓝色变为无色，后者蓝色溶液出现浑浊最后形成白色凝胶，前者和后者的实验现象都说明了CO2能与氢氧化钠发生化学反应。

4 实验步骤及现象

(1)组装实验仪器，检查实验装置的气密性。取下橡胶塞针头，将注射器活塞往上拉，松手后，注射器活塞往下弹回并回到原处，说明装置气密性良好。

(2)锥形瓶中盛放少量大理石，注射器吸取适量稀盐酸，Y形管两侧分别加入氢氧化钠水溶液和氢氧化钠乙醇溶液，连接好装置。将注射器中的稀盐酸缓缓推入锥形瓶中，轻轻振荡Y形管，可以观察到Y形管中氢氧化钠水溶液一侧无明显变化，而氢氧化钠乙醇溶液一侧出现浑浊并形成凝胶，说明CO2与氢氧化钠发生了化学反应(见图3)。

图3 步骤(2)实验现象

(3)过一段时间，取下Y形管，滴加适量稀盐酸，观察到氢氧化钠乙醇溶液一侧白色凝胶由上往下逐渐消失且伴随产生大而多的气泡(见图4)，说明CO2与氢氧化钠反应生成了新物质，进一步验证了CO2与氢氧化钠发生了化学反应。

图4 步骤(3)实验现象

(4)将Y形管两侧分别换成滴有百里酚酞的氢氧化钠水溶液和氢氧化钠乙醇溶液，通入CO2，观察到Y形管氢氧化钠水溶液一侧溶液由蓝色变为无色，而氢氧化钠乙醇溶液一侧蓝色溶液消失并形成白色凝胶，最后往Y形管中滴入稀盐酸，观察到氢氧化钠乙醇溶液一侧白色凝胶由上往下逐渐消失且伴随产生大而多的气泡(见图5)，Y形管左右两侧现象都说明了CO2与氢氧化钠发生了化学反应。

图5 步骤(4)实现现象

5 实验反思及评价

检验新物质的生成和证明反应物的消耗是探究无明显现象反应能发生的两条途径，采用何种方式证明此类反应的发生需要具体问题具体分析。二氧化碳与氢氧化钠的反应既可以从检验生成物碳酸钠的角度也可以从检验反应物氢氧化钠或二氧化碳的消耗的角度进行探究。从检验生成物的角度，本实验以“二氧化碳通入澄清石灰水，澄清石灰水变浑浊”为原型，确定了“二氧化碳通入氢氧化钠某溶剂溶液，立即产生沉淀”的思路，从而替换氢氧化钠溶液为氢氧化钠乙醇溶液；从检验消耗反应物的角度，本实验以“稀盐酸滴入滴有酚酞溶液的氢氧化钠溶液，溶液变为无色”为原型，确定了“二氧化碳通入滴有某试剂的氢氧化钠溶液，溶液变色”的思路，从而替换氢氧化钠酚酞溶液为氢氧化钠百里酚酞溶液。本创新实验在设计和实践中体现了以下3个方面的优点。

5.1 注重培养学生“化隐为显”的思维

二氧化碳与氢氧化钠能发生化学反应，但是无明显实验现象，在学生看来此类反应是不会发生的，因此教师在教学过程中需要将无明显现象的反应转变为有现象的反应。本实验借助氢氧化钠乙醇溶液和百里酚酞指示剂使无明显现象可视化，从而帮助学生理解二氧化碳与氢氧化钠的反应。二氧化碳通入氢氧化钠乙醇溶液后，观察到溶液变浑浊并形成凝胶；二氧化碳通入滴有百里酚酞的氢氧化钠水溶液后，溶液由蓝色变为无色。这些实验现象都直观地说明了二氧化碳能与氢氧化钠发生反应，实现了无明显现象反应的可视化，体现了化学教学中化“隐性”为“显性”的教学策略。

5.2 注重培养学生“化繁为简”的能力

探究二氧化碳与氢氧化钠能发生化学反应的方法有很多，如“塑料瓶变瘪法”“气球胀大法”“试管倒扣法”等[3]。这些方法实验现象明显，能达到实验目的，但是实验装置较为复杂，实验操作繁琐，且需要先收集大量的二氧化碳再来验证二氧化碳与氢氧化钠能反应。本实验把以往复杂的实验装置简单化、集成化，不仅能够节约实验者时间，还能降低实验者在实验操作过程中出错或实验不成功的概率，增强了实验对比性，体现了化学教学中化“复杂”为“简单”的教学思想。

5.3 注重培养学生环保、节约和创新意识

利用废旧小塑料瓶和注射器制取二氧化碳，既节约药品又废物利用，体现了化学实验教学中“注重培养学生环保和节约意识”。用Y形管作反应容器可以增强二氧化碳与氢氧化钠水溶液和氢氧化钠乙醇溶液反应的对比效果，使实验仪器创新化、实验装置简单化、实验现象明显化，体现了核心素养导向的化学实验教学“创新意识”的研究。