用数字化实验探究碳酸氢钠和氯化钙的反应

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　　 摘 要：在NaHCO3溶液与CaCl2溶液反应的实验中，本文采用pH传感器和CO2传感器，根据反应过程中溶液的pH和CO2浓度的变化探讨反应产物，同时通过不同浓度反应物的反应也可以让学生认识到反应物浓度对反应速率的影响。将该实验运用于高中化学必修一“碳酸氢钠和碳酸钠的鉴别”的教学中，有利于学生正确理解NaHCO3与CaCl2的反应，突破教学中的难点与疑点。
　　 关键词：氯化钙;碳酸氢钠;pH传感器;CO2传感器
　　 一、问题的提出
　　 Na2CO3和NaHCO3是都是常见的Na的化合物，而Na2CO3和NaHCO3的性质比较和鉴别是教学中的重要内容。在目前的中学化学课堂教学中，学生已经知道，可以根据两种物质的热稳定性和与酸反应的不同现象来鉴别Na2CO3和NaHCO3，那么能否用CaCl2溶液鉴别Na2CO3和NaHCO3呢？通过实验可以发现CaCl2溶液分别与Na2CO3和NaHCO3溶液反应都会出现溶液浑浊的现象，也会反应生成沉淀，现象看似差别不大，那么CaCl2溶液是否可以鉴别Na2CO3和NaHCO3溶液，以及如何让学生能够直观地观察到实验现象，深刻地理解CaCl2和NaHCO3的反应呢？
　　 为此，我们针对CaCl2溶液和NaHCO3溶液反应的实验进行了改进，在实验中引入pH传感器和CO2传感器分别来检测反应过程中pH值、CO2浓度的变化，学生可以直观地从计算机软件生成的pH值与CO2浓度变化曲线中“观察”到CaCl2和NaHCO3是否发生了反应。同时，本实验通过不同反应物浓度之间的反应，也可以让学生认识到反应物浓度对反应速率的影响。相对于电导率传感器、浑浊度传感器等，能够使学生更容易理解pH传感器和CO2传感器的作用，同时帮助他们理解传感器对应数据的含义，并对图表分析比较能力有一定的提升。
　　 二、实验步骤
　　 ①分别配制0.05 mol/L、0.1mol/L、0.2mo1/L碳酸氢钠溶液与0.1mol/L氯化钙溶液，备用。使用移液管（25mL）移取25 mL，0.1mol/L的氯化钙溶液至三颈烧瓶（100mL）中;
　　 ②搭建实验装置。将30mL注射器、CO2传感器和pH传感器（传感器已提前预热）按顺序从左至右分别置入三颈烧瓶中，并保证严格密封，且保持CO2传感器暴露于三颈烧瓶内的气体中而pH传感器末端被溶液浸没;打开Logger Pro 3.8.6软件，在数据采集器中设置模式（M）为“基于时间”，期间（D）为“600秒”，选择“持续采集数据”，开启磁力搅拌器，当传感器数据稳定时点击“采集”数据，用注射器向瓶内注射25mL的0.05mol/L碳酸氢钠溶液。实验完成后，将实验结果导出到计算机中进行分析处理。
　　 ③控制变量，将反应底物25mL，0.2mol/L碳酸氢钠溶液和25mL，0.1mol/L氯化钙溶液，25mL，0.2mo1/L碳酸氢钠溶液和25mL，0.1mol/L氯化钙溶液，重复上述操作，得到不同的实验曲线。
　　 三、实验结果讨论
　　 导出实验数据，观察CO2含量和pH变化。可以看出，在不同浓度下该反应都存在，当碳酸氢钠溶液刚刚加入后，混合液的pH迅速上升，随着反应的进行，混合液的pH逐渐下降，这说明呈碱性的HCO3被消耗，而二氧化碳的浓度在不断上升，说明此反应产生了二氧化碳，当反应进行到一段时间后，说明Ca2+和HCO3-反应生成碳酸钙和二氧化碳，反应进行一段时间后，溶液变浑浊，反应结束去除混合液后，发现瓶底附着一层白色固体，反应所得的二氧化碳浓度变化、pH的变化与观察到瓶中的现象可充分证明了碳酸钙和二氧化碳的产生。
　　 四、实验改进的意义
　　 （1）通过对Na2CO3、NaHCO3的鉴别实验改进，让学生更多的接触数字化仪器，增强学生学习化学的兴趣，同时将课本实验更加具体化，现象更明显。
　　 （2）利用本实验进一步掌握离子反应的知识，认识化学反应的实质是离子间的反应，对复分解反应有更深刻的认识。
　　 （3）该实验具有操作简单、现象直观等特点，可实际应用于高一必修内容的教学。
　　 五、结语
　　 化学实验是化学课堂中激发学生兴趣的有效方法之一。快速、简洁、整体的实验验证可以提高课堂效率，提升学生思维，使教学更加丰富多彩。对教学实验的研究更要突出安全性、科学性、可操作性、简洁性。
　　 笔者在常规实验中加入数字化传感器对碳酸氢钠溶液和氯化钙溶液的反应进行了实验探究，借助计算機生成的CO2含量和溶液pH变化图，让学生能够直观地观察到该反应的产物。将该实验运用于高中化学必修一“碳酸氢钠和碳酸钠的鉴别”的教学中，有利于学生正确理解碳酸氢钠与氯化钙的反应，突破了教学中的难点与疑点。同时，在学生学习选修《化学反应原理》“难溶电解质的沉淀溶解平衡”内容时，带领学生计算该反应的溶度积常数，学生在掌握溶度积常数相关知识的同时深入理解碳酸氢钠与氯化钙反应的本质。
　　 传感技术作为一种新的教学辅助手段，能够将原本不能完成的实验变为现实，同时也能够让学生直观地观察到肉眼无法直接看到的实验现象，该技术即时、准确地呈现出数据并为定量实验的设计创造了可能。本实验将传感技术引入课堂教学，帮助学生从量的角度认识化学变化的本质，使化学的科学性得到了进一步的彰显。许多学生对传感器都具有极大的兴趣及热情，因此，独特的观察角度与新颖的实验操作能够进一步提升学生的学习兴趣，也有利于激发学生对于如何应用传感器设计更多定量的实验来揭示物质性质的想法。
　　参考文献：
　　[1]杨飞，马宏佳.用氯化钙或氯化钡鉴别碳酸钠与碳酸氢钠溶液的再认识[J].化学教育，2014，35（11）：82-84.
　　[2]盛亦谦，唐玉露.碳酸钠与碳酸氢钠溶液简易鉴别法探讨[J].化学教与学，2017（01）：80-81+94.
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