再談碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

再談碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)是碳酸鈉重要的化學(xué)性質(zhì)，人教版、蘇教版均安排了演示實(shí)驗(yàn)，“新課標(biāo)”在必修課程保留了鈉、鐵、氯、氮、硫元素及其化合物知識。碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)一直是教師關(guān)注的熱點(diǎn)，碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的教學(xué)功能是什么？如何基于教學(xué)功能改進(jìn)碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)？本文就這些問題進(jìn)行探究。1對文獻(xiàn)中改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的綜述在萬方數(shù)據(jù)庫以“碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)”為主題詞進(jìn)行搜索，查到十余篇相關(guān)文獻(xiàn)，分析發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)目的可分兩類：第一類是證明“碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)速率快于碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)速率”，如設(shè)計(jì)新裝置，通過同時滴加鹽酸、觀察氣泡高度證明碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)速率快;通過數(shù)字傳感器測定相同時間內(nèi)增加二氧化碳的濃度證明碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)速率快;將“取相同質(zhì)量碳酸鈉和碳酸氫鈉”變成“取相同物質(zhì)的量濃度碳酸鈉和碳酸氫鈉”證明碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)速率快。第二類是探索“碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?，如通過理論計(jì)算證明碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)分二步進(jìn)行，對“碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)速率快于碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)速率”的原理提出質(zhì)疑，但沒有設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方案。綜上所述，已有改進(jìn)實(shí)驗(yàn)存在如下“模糊現(xiàn)象”：一是對碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能認(rèn)識模糊，多數(shù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)是為了比較碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)速率快慢，裝置偏復(fù)雜;二是多數(shù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)對碳酸鈉、碳酸氫鈉和鹽酸反應(yīng)的現(xiàn)象描述模糊，幾乎沒有確切地描述真實(shí)的反應(yīng)現(xiàn)象。2實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能定位教學(xué)功能是實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的價值內(nèi)核，如果教師對實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能認(rèn)識模糊，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)就會迷失方向，這是實(shí)驗(yàn)教學(xué)值得警惕的問題。碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價值究竟是什么？教材沒有明確說明。下面以蘇教版《化學(xué)1》為例分析碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能。2.1教材內(nèi)容層級分析從教材單元內(nèi)容看，蘇教版《化學(xué)1》專題1是“化學(xué)家眼中的物質(zhì)世界”，專題1在第二單元介紹了“研究物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方法”;專題2是“從海水中獲得化學(xué)物質(zhì)”，專題2的第二單元介紹了“鈉鎂及其化合物”和“離子反應(yīng)”;專題3是“從礦物質(zhì)到基礎(chǔ)材料”。蘇教版《化學(xué)2》在專題2第一單元初步介紹了化學(xué)反應(yīng)速率的概念及其影響因素，蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》在專題2第一單元從碰撞理論和過渡態(tài)理論介紹了化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素。從教材課時內(nèi)容看，專題2“從海水中獲得化學(xué)物質(zhì)”的第二單元“鈉鎂及其化合物”“碳酸鈉的性質(zhì)與應(yīng)用”新授課安排了4個實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)1澄清石灰水和碳酸鈉反應(yīng)、氯化鈣溶液和碳酸鈉反應(yīng);實(shí)驗(yàn)2按圖組裝儀器，將滴管中的濃鹽酸加入盛有碳酸鈉固體的廣口瓶;實(shí)驗(yàn)3用pH試紙測碳酸鈉溶液的pH。從單元教學(xué)內(nèi)容安排看，學(xué)生在初中學(xué)習(xí)酸堿鹽的概念，熟悉復(fù)分解反應(yīng)發(fā)生的條件，知道碳酸鈉能和鹽酸反應(yīng)。學(xué)生通過高中《化學(xué)1》專題1中“研究物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方法”的學(xué)習(xí)，了解實(shí)驗(yàn)是研究物質(zhì)性質(zhì)的重要手段，在學(xué)完“鈉鎂及其化合物”后即將學(xué)習(xí)“離子反應(yīng)”。從課時教學(xué)內(nèi)容安排看，教材呈現(xiàn)了碳酸鈉和酸堿鹽反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，意在鞏固碳酸鈉具有弱酸正鹽的通性（碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)是支撐碳酸鈉和強(qiáng)酸反應(yīng)的一個事實(shí)證據(jù)）。另外，高一新生認(rèn)知心理仍然以形象思維和定性思維為主，尚不能通過抽象思維和定量思維認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)，認(rèn)識角度單一、認(rèn)識水平膚淺。2.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能定位知識結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外分為知識的意義系統(tǒng)、知識的邏輯形式、知識的符號表征。知識的符號表征是表征、傳播知識的方式，知識的邏輯形式是指具體知識點(diǎn)在學(xué)科體系中的結(jié)構(gòu)和功能，知識意義系統(tǒng)是指知識學(xué)習(xí)承載人類認(rèn)識世界的思想方法、價值觀念和文化情趣等。通過對教材內(nèi)容和學(xué)生的認(rèn)知能力分析，我們認(rèn)為碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)價值應(yīng)該設(shè)定如下：［符號表征］學(xué)生掌握碳酸鈉和鹽酸分步反應(yīng)的化學(xué)方程式：［邏輯形式］學(xué)生以碳酸鈉為例理解二元弱酸的正鹽與強(qiáng)酸反應(yīng)是分步反應(yīng)，認(rèn)識反應(yīng)物的量不同可能導(dǎo)致產(chǎn)物不同，碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的事實(shí)性知識為后續(xù)學(xué)習(xí)“離子反應(yīng)”提供感性材料。［意義系統(tǒng)］學(xué)生觀察宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，想象微觀反應(yīng)過程，通過觀察分析、對比歸納等思維活動提高認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的深度（從宏觀到微觀、從定性到定量），鞏固“實(shí)驗(yàn)是研究化學(xué)反應(yīng)的重要手段”的學(xué)科觀點(diǎn)。簡言之，碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能在于使學(xué)生理解碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)是分步進(jìn)行的，培養(yǎng)學(xué)生宏微結(jié)合、證據(jù)推理和變化觀念的學(xué)科核心素養(yǎng)?！胺磻?yīng)速率概念及其影響因素”安排在蘇教版《化學(xué)2》和《化學(xué)反應(yīng)原理》中，“反應(yīng)速率屬于動力學(xué)概念，影響因素復(fù)雜，不能用最終放出CO2體積多少比較反應(yīng)速率快慢”，應(yīng)摒棄“比較碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)速率快慢”的不恰富教學(xué)目標(biāo)。3實(shí)驗(yàn)改進(jìn)關(guān)鍵問題控制為了達(dá)成上述教學(xué)功能，我們希望理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為：將鹽酸滴入碳酸鈉溶液開始無現(xiàn)象，隨著鹽酸滴加慢慢生成氣泡；將碳酸鈉滴入鹽酸立即生成氣泡。筆者按照蘇教版教材操作“將滴管中的濃鹽酸加入盛有碳酸鈉固體的廣口瓶立即產(chǎn)生氣泡”。文獻(xiàn)也描述了“將2mol/L鹽酸慢慢滴入碳酸鈉固體立即產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象”。我們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是控制碳酸鈉、鹽酸的濃度，若鹽酸濃度過大、碳酸鈉濃度過小，鹽酸滴入碳酸鈉溶液造成酸局部過量，產(chǎn)生氣泡，不利于學(xué)生理解鹽酸和碳酸鈉反應(yīng)是分步進(jìn)行的。因此，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的關(guān)鍵點(diǎn)是控制碳酸鈉和鹽酸的濃度，避免鹽酸滴入碳酸鈉溶液導(dǎo)致局部酸過量。4實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案探索4.1確定常量實(shí)驗(yàn)濃度分析化學(xué)根據(jù)被測組分含量多少分為常量分析（1%）、微量分析（0.01%?1%）和痕量分析（0.01%），中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是在常量范圍的操作。根撮常量分析含量估算試劑濃度：碳酸鈉濃度應(yīng)大于0.094mol/L,鹽酸濃度應(yīng)大于0.2mol/L。我們在實(shí)驗(yàn)中配制不小于0.1mol/L的試劑濃度，保證了現(xiàn)象的可靠性和重現(xiàn)性。4.2實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案探索4.2.11組等濃度鹽酸和碳酸鈉溶液反應(yīng)準(zhǔn)確配制0.1mol/L鹽酸和0.1mol/LNa2CO3溶液各20mL，用膠頭滴管取0.1mol/L鹽酸溶液逐滴加入盛有2mL0.1mol/LNa2CO3溶液的試管中，溶液接觸處產(chǎn)生少量細(xì)小氣泡;將0.1mol/LNa2CO3溶液逐滴加入2mL0.1mol/L鹽酸中，溶液接觸處也產(chǎn)生少量氣泡，互滴操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象幾乎無區(qū)別。將1mol/L鹽酸滴加到2mL1mol/LNa2CO3溶液中立即產(chǎn)生大量氣泡，反過來，將上述濃度碳酸鈉溶液滴入鹽酸，也產(chǎn)生大量氣泡（上述實(shí)驗(yàn)在滴加溶液時均不攪拌，下文同）。［結(jié)論］將0.1mol/L鹽酸逐滴加入0.1mol/LNa2CO3溶液中立即生成氣泡，反過來，將上述濃度碳酸鈉溶液逐滴加入鹽酸中也立即產(chǎn)生氣泡，二者產(chǎn)生氣泡量區(qū)別不明顯。將1mol/L鹽酸和1mol/L碳酸鈉溶液互滴，均產(chǎn)生大量氣泡，現(xiàn)象也無明顯區(qū)別。濃度低且相等的鹽酸和碳酸鈉溶液反應(yīng)很難出現(xiàn)“理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”，不利于教師演示或者學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。11組低濃度鹽酸和高濃度碳酸鈉溶液反應(yīng)準(zhǔn)確配制0.1mol/L鹽酸和0.2mol/LNa2CO3溶液各20mL，用膠頭滴管取0.1mol/L鹽酸溶液逐滴加入盛有2mL0.2mol/LNa2CO3溶液的試管中，鹽酸滴入溶液上層無現(xiàn)象，輕輕晃動試管也無現(xiàn)象，加了1滴管（約1mL，25滴，下同）鹽酸開始產(chǎn)生微量氣泡。反過來，將上述濃度的碳酸鈉溶液逐滴加入鹽酸中，立即產(chǎn)生微量氣泡，互滴操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象區(qū)別明顯。將0.1mol/L鹽酸滴入2mL0.5mol/LNa2CO3溶液無氣泡產(chǎn)生，加1滴管溶液也無氣泡產(chǎn)生，加了約3滴管鹽酸開始產(chǎn)生細(xì)小氣泡；反過來，將上述濃度碳酸鈉滴入鹽酸中，立即產(chǎn)生大量氣泡。［結(jié)論］將0.1mol/LHCl溶液逐滴加入2mL0.2mol/LNa2CO3溶液中，開始無氣泡生成，加入約1滴管溶液開始出現(xiàn)細(xì)小氣泡，此現(xiàn)象說明碳酸鈉和鹽酸的反應(yīng)是分步進(jìn)行的。若碳酸鈉濃度過大（大于0.5mol/L），需加大量0.1mol/L鹽酸才能產(chǎn)生氣體（試管溶液太多，不適合實(shí)驗(yàn)演示）。將0.1mol/LHCl溶液逐滴加入2mL0.2mol/LNa2CO3溶液中出現(xiàn)“理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”，本實(shí)驗(yàn)操作取量合適、現(xiàn)象明顯，適合教師演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)。III組等濃度的醋酸和碳酸鈉溶液反應(yīng)準(zhǔn)確配制0.1mol/L醋酸和0.1mol/LNa2CO3溶液各20mL，用膠頭滴管取0.1mol/L醋酸溶液、逐滴加入盛有2mL0.1mol/LNa2CO3溶液的試管中，開始無現(xiàn)象，加1滴管酸液后仍無現(xiàn)象。反過來，將上述濃度碳酸鈉逐滴加入醋酸溶液，產(chǎn)生少量的極細(xì)小氣泡，互滴操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象幾無區(qū)別。將1mol/L醋酸滴加到2mL1mol/LNa2CO3溶液中，酸液滴在溶液上部無明顯氣泡產(chǎn)生，當(dāng)醋酸加了約1滴管開始產(chǎn)生氣泡。反過來，若將上述濃度的碳酸鈉溶液滴入醋酸溶液中，碳酸鈉液滴密度大沉入溶液底部，產(chǎn)生的氣泡慢慢浮出液面，互滴操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象區(qū)別明顯。［結(jié)論］醋酸是弱電解質(zhì)，電離出c（H+）小，是很好的“H+緩釋源”。等濃度的碳酸鈉溶液和醋酸溶液反應(yīng)，局部低濃度H+和CO2-3結(jié)合生成HCO-3，促進(jìn)醋酸電離產(chǎn)生H+，過量H+和HCO-3反應(yīng)繼續(xù)生成碳酸產(chǎn)生氣泡。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1mol/LNa2CO3溶液和1mol/L醋酸溶液互滴實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀有趣、對比明顯，可以出現(xiàn)“理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”。IV組以硅酸鋁棉為載體設(shè)計(jì)鹽酸和碳酸鈉溶液反應(yīng)硅酸鋁棉的化學(xué)式為Al2SiO5,它是以硬質(zhì)粘土熟料為原料，經(jīng)電阻或電弧爐熔融、噴吹成纖工藝生產(chǎn)而成（淘寶上可以購買）。硅酸鋁棉具有較強(qiáng)的吸附性，不與鹽酸或碳酸鈉反應(yīng)。將硅酸鋁棉剪成10x15mm大小、5mm厚的小片，分別浸泡于0.1mol/L鹽酸和碳酸鈉溶液、0.5mol/L鹽酸和碳酸鈉溶液5分鐘，瀝干待用。將浸有0.5mol/L鹽酸的硅酸鋁棉放入2mL0.5mol/LNa2CO3溶液中，開始無明顯現(xiàn)象，30秒后可見硅酸鋁棉表面產(chǎn)生密集的細(xì)小氣泡。反過來，將浸有0.5mol/L碳酸鈉溶液的硅酸鋁棉放入2mL0.5mol/L鹽酸溶液中，硅酸鋁棉表面立即產(chǎn)生大量氣泡。［結(jié)論］硅酸鋁棉可以吸附H+或CO2-3，將浸有鹽酸的硅酸鋁棉置于碳酸鈉溶液中，硅酸鋁棉吸附的H+持續(xù)擴(kuò)散至表面與溶液大量CO2-3分步反應(yīng)，呈現(xiàn)“先無氣泡后產(chǎn)生氣泡”的現(xiàn)象。若將浸有碳酸鈉溶液的硅酸鋁棉置于鹽酸中，硅酸鋁棉吸附的CO2-3持續(xù)擴(kuò)散至表面與溶液中大量H+反應(yīng)生成二氧化碳，立即產(chǎn)生氣泡。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硅酸鋁棉浸在濃度小于0.5mol/L鹽酸或碳酸鈉溶液中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象區(qū)別不明顯。而浸于0.5mol/LNa2CO3溶液和0.5mol/L鹽酸溶液的反向操作的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很明顯，可以出現(xiàn)“理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”。5基于實(shí)驗(yàn)功能呈現(xiàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)綜上所述，實(shí)驗(yàn)II組中0.1mol/LHCl溶液和2mL0.2mol/LNa2CO3溶液、實(shí)驗(yàn)III組中1mol/LNa2CO3溶液和1mol/L醋酸溶液、實(shí)驗(yàn)IV組中浸有0.5mol/L鹽酸的硅酸鋁棉和0.5mol/LNa2CO3溶液的實(shí)驗(yàn)操作均可出現(xiàn)“理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”。三個實(shí)驗(yàn)要求的知識點(diǎn)不同，在教學(xué)中使用的時機(jī)也不同。實(shí)驗(yàn)II沒有涉及新知識，可以在“碳酸鈉的性質(zhì)與應(yīng)用”新授課中作為學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)（便于觀察實(shí)驗(yàn)細(xì)微現(xiàn)象）；實(shí)驗(yàn)V用到硅酸鋁棉，可以在新授課后作為課外拓展實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)III涉及醋酸的電離平衡移動，可以在講授“弱電解質(zhì)的電離平衡”時呈現(xiàn)。以下是“碳酸鈉的性質(zhì)與應(yīng)用”新授課中基于實(shí)驗(yàn)II的教學(xué)過程。問題1：碳酸鈉和鹽酸發(fā)生反應(yīng)嗎？若能，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是什么？學(xué)生分小組實(shí)驗(yàn)，自選用品完成碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)。（實(shí)驗(yàn)用品：0.1mol/L鹽酸、1mol/L鹽酸、0.2mol/LNa2CO3溶液和1mol/LNa2CO3溶液，試管、滴管若干）問題2：你觀察到哪些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？問題3：請寫出碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式。問題4：請預(yù)測碳酸氫鈉和鹽酸互滴的現(xiàn)象？“問題1”引導(dǎo)學(xué)生回顧強(qiáng)酸能和弱酸鹽反應(yīng)，預(yù)測碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)有氣泡。學(xué)生自選用品、自主操作可能會出現(xiàn)多種情況，如將0.1mol/L鹽酸滴入0.2mol/LNa2CO3溶液開始無氣泡、后有氣泡產(chǎn)生;將0.1mol/L鹽酸滴入1mol/LNa2CO3溶液可能一直無氣泡（和碳酸鈉取量有關(guān)）將1mol/L鹽酸和0.2mol/LNa2CO3溶液或1mol/LNa2CO3溶液反應(yīng)立即產(chǎn)生氣泡，互滴現(xiàn)象沒有區(qū)別?！皢栴}2”引導(dǎo)學(xué)生分享實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，交流反常的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生自然要思考反應(yīng)操作、反應(yīng)用量和產(chǎn)物的關(guān)聯(lián)，通過“宏微結(jié)合、定量分析”的思維推演，建立碳酸鈉和鹽酸發(fā)生分步反應(yīng)的觀點(diǎn)。“問題3”引導(dǎo)學(xué)生將碎片化觀點(diǎn)進(jìn)行梳理，形成“結(jié)構(gòu)化”的知識圖式，深化對碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的認(rèn)識?！皢栴}4”考察學(xué)生解釋變式問題的能力。上述教學(xué)設(shè)計(jì)不僅完成了碳酸鈉和鹽酸知識符號和邏輯體系教學(xué)，還發(fā)展了學(xué)生科學(xué)探究、證據(jù)推理、建模用模等核心素養(yǎng)，探索了指向知識意義功能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)行為。6基于教學(xué)功能的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)流程宋心琦先生認(rèn)為，教材實(shí)驗(yàn)分三個部分：一是選擇的實(shí)驗(yàn)對象，二是合理的實(shí)驗(yàn)步驟和安全措施，三是必需的試劑、儀器裝置及合乎規(guī)范的操作技術(shù)。這些因素都可能影響實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，因而實(shí)驗(yàn)改進(jìn)是化學(xué)教學(xué)最有創(chuàng)意的活動，而準(zhǔn)確理解實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能是實(shí)驗(yàn)改