碳酸钙、碳酸钠与盐酸反应的实验探究
2023-07-11潘智阳吕春娇刘炳华
潘智阳 吕春娇 刘炳华
摘要：比较碳酸钠、碳酸钙性质及与盐酸反应的现象，发现其差异原因在于溶解性。利用pH传感器及液滴数传感器为测试手段，探究饱和碳酸钠溶液与不同浓度盐酸的反应，并从宏观、微观、符号、曲线四个角度分析反应现象，揭示盐酸与碳酸钠分步反应的实质。
关键词：碳酸钠；碳酸钙；盐酸；传感器；实验探究
文章编号：10056629（2023）06007604中图分类号：G633.8文献标识码：B
中学阶段各版本教材均涉及碳酸钠和碳酸钙性质的探究，都有与盐酸的反应，但实验方案均未具体标明所用盐酸的浓度，比如上海教育出版社2012年出版的初三化学教材（上）中描述为“稀盐酸”［1］，江苏凤凰教育出版社2014年出版的高中化学教材（必修一）中描述为“浓盐酸”［2］。盐酸浓度究竟多少适宜呢？实验中我们发现不同浓度的盐酸分别与碳酸钙和碳酸钠反应时出现“异常”现象，盐酸浓度会直接影响实验结果，为此我们作了深入探究。
1 发现问题
在实验中发现，向两个分别装有碳酸钙粉末和碳酸钠粉末的烧杯中滴加0.1mol/L盐酸，发现只有碳酸钙产生气泡，而碳酸钠至完全溶解后也未观察到气泡，这似乎与“稀盐酸与碳酸钠反应最初不产生气泡，后来产生气泡”相违背！随后又分别用0.5mol/L和1.0mol/L的盐酸溶液加入碳酸钠、碳酸钙粉末中，发现两者均产生气泡。仅从化学式看，碳酸钙为CaCO3，碳酸钠为Na2CO3，均只有一个碳酸根，貌似与盐酸反应的结果应该一致。
2 分析问题
我们对碳酸钙和碳酸钠部分性质进行了比较，如表1所示。可见二者的状态、熔点、与酸碱反应的情况等几乎一致，但溶解度差异却很大，这可能是造成上述反应现象不同的原因。
当盐酸与碳酸钙粉末反应时，粉末会漂浮在溶液表层，在颗粒表面发生反应，产生的二氧化碳会直接逸出；而碳酸钠易溶于水，反应在溶液中进行，且在盐酸浓度很低情况下，反应生成的二氧化碳溶解在水中，不能大量逸出产生气泡。
分析相关文献发现，使用0.1mol/L的盐酸和碳酸鈉溶液互相滴加，均立即产生气泡［3］。使用的盐酸和碳酸钠溶液的浓度均为0.01mol/L，获得的pH、 CO2浓度变化的双纵坐标曲线与模拟曲线基本一致［4］。而我们选用不同浓度盐酸滴定碳酸钠粉末进行比较，发现产生二氧化碳需要大量低浓度盐酸，导致难以观察到气泡。
经上述分析，若保持碳酸钠溶液浓度不变，改变盐酸浓度，应当存在三种反应情况：
（1） 碳酸钠与盐酸反应很难观察到气泡；
（2） 碳酸钠与盐酸反应一开始不产生气泡，一段时间后明显产生气泡；
（3） 碳酸钠与盐酸反应一开始就能明显观察到气泡。
为此，笔者设计了三组实验，利用数字化实验设备对实验进行探究，并结合“四重表征”方法进行分析［5～7］。
3 实验设计
3.1 实验设计原理
化学反应：不同浓度的盐酸滴入碳酸钠溶液，盐酸先与碳酸根离子反应生成碳酸氢根。若酸过量，则会生成碳酸，并分解为二氧化碳逸出。
传感器：随着信息技术的发展，传感器产生并应用于中学实验教学，对于发展学生“宏观辨识与微观探析”等化学学科核心素养有三点优势：实验证据更加充足，可以得到实验进程中变化的数据；实验重复性好，相比传统实验，数字化实验条件的控制更精确，实验过程更稳定；增强了实验的探究性，可让学生通过曲线分析，培养和提高其探究能力。
四重表征：多重表征理论是应用于概念教学的理论，将多重表征理论与化学教学相结合一直是研究的热点［8］。从宏观、微观、符号、曲线四个角度分析实验并联系学生已有知识，能提高实验教学的有效性，增强科学探究的指向性。
3.2 实验仪器及用品
仪器：pH传感器、液滴数传感器及配套滴管、磁力搅拌器、数据采集器及其配套软件、烧杯、量筒、胶头滴管、玻璃棒
药品：12mol/L盐酸、无水碳酸钠粉末、去离子水、酚酞试剂、甲基橙试剂
3.3 实验装置
实验装置如图1所示。
3.4 实验步骤
（1） 分别配制1.0mol/L盐酸、0.5mol/L盐酸、0.1mol/L盐酸、饱和碳酸钠溶液。
（2） 按图1组装实验装置，调节滴管末端恰在液滴数传感器的中间位置。向滴管中加入去离子水，调节阀门控制至适宜流速，并确保液滴数传感器能准确记录数据。
（3） 润洗滴管2～3次，关闭开关阀，加入1.0mol/L盐酸，向烧杯中加入20mL饱和碳酸钠溶液，安装好pH传感器，确保pH传感器的玻璃泡浸没在溶液中，最后放入磁子。
（4） 向烧杯中滴入2～3滴酚酞指示剂，开始数据采集，缓慢打开磁力搅拌器，调整至合适转速，再打开开关阀。观察屏幕曲面变化和溶液颜色变化。待红色褪去后，立刻加入几滴甲基橙，继续观察屏幕曲线变化和溶液颜色变化，直至曲线完成第二个突跃，且曲线有变平的趋势时，关闭开关阀，停止数据采集。
（5） 依次用0.5mol/L、 0.1mol/L盐酸重复上述（3）、 （4）步骤，得到滴定曲线。
（6） 实验结束，拆除装置，洗净实验仪器，并规范收好传感器。
4 实验数据分析与结果
4.1 1.0mol/L盐酸滴定饱和碳酸钠溶液
滴定曲线如图2所示。
［AB段］
曲线：曲线缓慢下降。
宏观：溶液红色逐渐变淡，有气泡产生。
微观：此时的气泡是由于局部浓度过大，盐酸在与碳酸钠接触的一瞬间，生成碳酸并分解为二氧化碳逸出，但总体上还是碳酸根向碳酸氢根离子转化的过程。
符号：
［BC段］
曲线：曲线迅速下降，在BC之间存在一个点代表碳酸根离子完全变为碳酸氢根。
宏观：溶液红色继续变淡直至无色，有气泡产生。
微观：当pH小于8后，酚酞完全褪色；剩余少量的碳酸根离子逐渐变为碳酸氢根，也有少量的碳酸氢根变为碳酸。
符号：
［CD段］
曲线：曲线缓慢下降。
宏观：溶液黄色逐渐加深，有气泡产生。
微观：此时碳酸氢根离子逐渐变为碳酸，碳酸会分解为二氧化碳逸出。
符号：
［DE段］
曲线：曲线迅速下降，在DE之间存在一个点代表碳酸氢根离子完全变为碳酸。
宏观：黄色继续加深为橙色，继续变为红色，有气泡产生。
微观：剩余少量的碳酸氢根离子逐渐完全变为碳酸，也有少量的碳酸分解为二氧化碳。
符号：
4.2 0.5mol/L盐酸滴定饱和碳酸钠溶液
滴定曲線如图3所示。
该浓度的滴定过程，AC之间不产生气泡，因为盐酸浓度减小，导致碳酸
根离子未能直接转化为二氧化碳逸出，而C点后逐渐产生气泡。反应历程同上。
4.3 0.1mol/L盐酸滴定饱和碳酸钠溶液
滴定曲线如图4所示。
该浓度滴定全程未能观察到明显气泡，因为盐酸浓度与碳酸钠浓度相差过大，无法观察到气泡。反应历程同上。
4.4 结果分析
在本实验条件下，1.0mol/L、 0.5mol/L、 0.1mol/L盐酸滴入饱和碳酸钠溶液产生的现象分别为：始终有气泡产生；先无气泡产生，一段时间后产生气泡；全程很难观察到气泡。因此虽均为“稀盐酸”，但浓度不同与饱和碳酸钠溶液反应的现象也不同。其实本实验现象与“稀盐酸与碳酸钠反应最初不产生气泡，后来产生气泡”并不相悖，碳酸钠溶液的浓度对实验结果也有一定影响，不同的浓度比会产生不同的现象，但本质上盐酸与碳酸钠的反应是分步进行的，因而导致与碳酸钙反应现象的不同。
参考文献：
［1］王祖浩，王磊主编. 义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）［M］. 上海： 上海教育出版社，2012： 43.
［2］王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学1［M］. 南京： 江苏凤凰传媒出版社，2014： 51.
［3］肖中荣，周萍. 再谈碳酸钠和盐酸反应的实验改进［J］. 化学教学，2019，（10）： 54～57.
［4］郭雨琦，孟庆华，刘翠，邢蓓蓓.盐酸与碳酸钠分步反应探究实验装置的改进［J］. 化学教学，2022，（11）： 70～74.
［5］韩慧磊，信欣，孙影. 运用数字化技术探究盐酸滴定碳酸钠溶液的反应［J］. 化学教学，2020，（3）： 56～60.
［6］张磊，王璇，孙美华. 基于传感器检测探究盐酸与碳酸钠溶液的反应［J］. 化学教学，2021，（6）： 74～77.
［7］［8］林建芬，盛晓婧，钱扬义. 化学“四重表征”教学模式的理论建构与实践研究———从15年手持技术数字化实验研究的回顾谈起［J］． 化学教育，2015，（7）： 1～6．
