运用延时摄影技术探究碳酸钠、碳酸氢钠与酸的反应

来源:用户上传      作者:李苏霖 龚正元

　　利用生活中的常见物品，结合毛细现象、虹吸现象与延时摄影技术，设计了NaCO、NaHCO与酸反应的比较实验。用智能手机的延时摄影功能将1h的实验过程压缩到34s，成功展现出NaCO溶液与酸反应的分步现象，为教学提供了生动的直观材料。
　　延时摄影；碳酸钠；碳酸氢钠；分步反应；实验探究
　　NaCO与NaHCO性质的比较一直是高中化学教学的重点内容之一，尤其是NaCO、NaHCO与酸反应的比较。人教版高中化学必修第一册在第二章第一节“钠及其化合物”的“练习与应用”模块提到了NaCO与酸的分步反应问题；苏教版高中化学必修第一册则是在“碳酸钠与碳酸氢钠”这一课时中初步比较了两者与酸反应的速率差异，接着在专题3的综合评价中具体描述了NaCO与酸的分步反应机理。
　　在日常教学中，为了便于学生理解，教师们一直在探究通过直观手段展现NaCO溶液与酸的分步反应现象。伍强等设计了恒压式实验装置改进了NaCO溶液与盐酸的互滴反应，使用磁力搅拌器加速扩散，防止酸局部浓度过大，并通过气球放大了实验现象。肖中荣等人则探究了浓度与酸性强弱对于NaCO溶液c酸反应现象的影响，并提出了使用硅酸铝棉作为溶液载体的创新实验，实现了酸进入NaCO溶液的持续均匀扩散，体现了较好的试验效果。陈秀娟等则使用医用注射器与青霉素瓶子设计了微型实验装置，通过向同浓度的NaCO、NaHCO溶液中逐滴滴加低浓度盐酸进行对比研究。张磊等设计了全新的NaCO溶液与盐酸反应的实验装置，借助pH、CO浓度与压力传感器三个表征手段观察实验现象，展现分步反应机理。
　　可见，要想充分展现出NaCO溶液与酸分步反应的直观实验现象，需要满足诸多条件：（1）溶液浓度较低；（2）溶液滴加速度必须缓慢；（3）加入后扩散必须均匀且快速。在借鉴已有研究成果的基础上，笔者采用延时摄影技术对NaCO、NaHCO与酸反应的现象进行观察，效果十分明显。
　　
　　
　　延时摄影又称缩时摄影，是以一种将时间压缩的拍摄技术，能够在短时间内展现生活中长期才能观察到的变化。在延时摄影视频中，物体本身缓慢的变化过程被压缩到较短的时间内播放，往往能够呈现出平日里用肉眼无法察觉的奇妙景象，富有冲击力。延时摄影可以通过专业的摄影设备实现，同时随着信息技术的发展，智能手机大多也自带延时摄影功能。李娟等利用智能手机的延时摄影功能观察铁置换铜实验，将48小时的实验现象“加速”到1.6分钟，为学生提供了更丰富的直观体验，取得满意的教学效果。可见，延时摄影技术在中学化学实验有着很高的应用价值。
　　
　　在窄小的毛细管中，液体会形成弯曲的表面，由于表面张力的作用，凹液面会对下面的液体施以拉力，凸液面则会对下面的液体施以压力。当毛细管插入到浸润液体中，液面是凹液面，管内液面会上升；反之，当毛细管插入到不浸润液体中，管内液面会下降。这就是毛细现象。生活中存在着很多毛细现象的例子，例如：植物根茎从土壤中吸水、毛巾和棉线吸水等。这是因为毛巾、棉线等物体中存在着许多细小的缝隙，这些缝隙起到了毛细管的作用，从而实现了吸水的目的。
　　
　　虹吸现象的出现根本原因在于压强差，是液态分子间引力与位能差所造成的，即利用水柱压力差，使水上升后再流到低处。由于灌满水的虹吸管来水端水位高，压强大，而出水端水位低，压强小，因此能够源源不断地将水从高水位运输到低水位，直到两侧的水位达到同一高度才会停止流动。
　　
　　
　　运用常见的生活用品，结合智能手机设计出成本低廉、操作简单、现象直观的 NaCO溶液、NaHCO溶液与酸反应的创新实验，从而为教学提供生动的直观材料，帮助学生理解两种盐溶液与酸反应的本质。
　　
　　NaCO溶液与酸反应的分步现象之所以难以实现，是因为人为的操作很难做到将酸极为缓慢地加入到 NaCO溶液中并快速均匀扩散，导致酸滴入后的局部浓度过大。笔者利用棉线的毛细现象结合虹吸现象来实现溶液的主动、定向、缓慢传输，而此时棉线的长度、粗细必定会影响传输速率，因此需要使用相同长度和粗细的棉线作为传输装置，同时，为了实现进入溶液中酸的快速均匀扩散，选择使用磁力搅拌器进行连续搅拌。但是这一实验过程必然耗时较长，从而带来现象观察困难的问题。因此，为了克服这一困难，笔者结合智能手机自带的延时摄影功能“加快”反应速率，拍摄实验视频，做到在短时间内对比观察NaCO溶液、NaHCO溶液与酸反应的实验现象。

　　
　　
　　实验仪器：圆形塑料盒（5 mL）、棉线、瓶盖、磁子、磁力搅拌器、滴管
　　摄影设备：白纸、补光灯、升降台、iPhone 6s Plus手机
　　实验药品：0.2 mol/L NaCO溶液、0.2 mol/L NaHCO溶液、0.2 mol/L 盐酸、酚酞指示剂
　　
　　运用常见的生活用品，设计了如下图1所示的实验装置。在圆形塑料盒之间使用塑料瓶盖造成高度差并用棉线将塑料盒相连接，引发毛细现象与虹吸现象，实现溶液的定向、缓慢传输。另外，在反应容器中放入磁子进行磁力搅拌，避免实验过程中出现局部浓度过大的问题。与此同时，结合智能手机、补光灯等拍摄设备设计了如下图2所示的拍摄装置。
　　
　　（1）用蒸馏水将三个相同大小的塑料盒洗净晾干。将其中一个塑料盒摆放在塑料瓶盖上，剩余两个摆放于周围形成如图1所示的正三角形并将整个装置放置于磁力搅拌器上，在底部铺上一层白纸作为背景。
　　（2）取四根L度相同的棉线，提前在0.2 mol/L 盐酸中浸泡2～3 min。将每两根棉线并列简单缠绕，尾端微微分叉，做出两个溶液传输装置，在棉线相同的位置对棉线进行折叠用于接触溶液，从而尽量保证溶液传输速率相近。如下图3所示：
　　（3）用滴管吸取溶液，向摆放在瓶盖上的塑料盒中加入0.2 mol/L盐酸，向另外两个塑料盒中分别加入相同体积都为1.5 mL的0.2 mol/L NaCO溶液与0.2 mol/L NaHCO溶液，并滴入1～2滴酚酞指示剂。将（2）中制作出的棉线传输装置放入塑料盒中，浸入溶液，并在盒中各放入一个磁子。如下图4所示：
　　（4）将iPhone 6s Plus手机放置于升降台上并升至合适高度，调整补光灯光线，打开磁力搅拌器并调整至合适的搅拌速度，开启手机自带的延时摄影功能对1h的实验过程进行拍摄，最终得到34s的实验视频。
　　
　　延时摄影技术将1h的实验过程压缩到了34s，从而放大了实验现象，让我们能够在短时间内看到快速连续的变化，便于对比观察NaCO溶液、NaHCO溶液与盐酸反应现象异同。通过观看视频可知，实验现象具体经历了如下表1中的四个过程：
　　
　　（1）使用生活用品，降低实验成本。在实验中使用了棉线、塑料盒等生活用品替代实验仪器设计出实验装置，成本低廉且操作简单。
　　（2）结合信息技术，利用毛细现象与虹吸现象运输溶液，做到“慢”，同时运用智能手机的延时摄影功能，使实验现象的展示变“快”。两者结合实现了NaCO与酸的两步反应的可视化，加强了实验现象的直观冲击力。
　　综上所述，该实验为NaCO、NaHCO与酸反应的教学提供了生动的直观材料，有利于引导学生在现象中寻找证据，并根据证据进行推理分析，从而获得知识，同时培养学生观察思考、证据推理、类比联想等思维能力。但是该实验还存在些许不足，因为使用棉线进行溶液的运输，所以很难做到十分准确的定量研究，仍需要进一步改进完善！
　　参考文献：
　　[1] 伍强，方瑞光. 碳酸钠和碳酸氢钠与稀盐酸反应实验的创新设计[J].化学教学，2016（08）：63-65.
　　[2] 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.
　　[3] 陈秀娟，洪清娟. 碳酸钠及碳酸氢钠性质实验装置改进与教学实践[J].化学教学，2021（09）：62-66.
　　[4] 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（06）：74-77.
　　[5] 李娟，凌一洲，李德前. 利用延时摄影技术观察铜铁置换反应[J].化学教学，2019（10）：67-69.
　　[6] 蒋萍萍.毛细现象的再思考[J].物理教师，2015，36（02）：50-52.


转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15445384.htm