碳酸钠溶液与盐酸反应原理探究的装置改进
张磊 王璇 董金水
摘要：
对文献中“碳酸钠溶液与盐酸反应原理探究”实验装置改进的四个主要部分：
滴加装置、反应装置、产物检验装置和定量分析装置进行梳理，发现单一的、
缺乏整体思考的
改進往往是有缺陷的。本实验再次进行改进，借鉴前人实验创新的优势部分，从整体出发作多元化思考，并添加一定的新元素，设计出更安全、更合理、更便捷的新实验方案。
关键词：
碳酸钠溶液; 盐酸; 实验装置改进; 实验探究
文章编号：
10056629（2022）01006405
中图分类号：
G633.8
文献标识码：
B
1 问题提出
问题与不足永远是实验改进与创新设计的原点。充分地理解实验的目标与内涵，围绕要解决的问题而进行实验设计，才能做出真正有意义的改进和创新。在以往的某些案例中，使用特殊的条件、仪器或试剂来进行创新，虽起到一定的作用，但往往只是突破一点，解决部分问题，并没有统筹规划整体考虑，导致某些实验被不断改进。本文以“碳酸钠溶液与盐酸反应原理探究”为例，简析实验创新与改进过程中某些关键仪器的优势与不足，并给出基于新元素的整体思考的实验改进方案。
2 文献研究
以中国知网为数据来源，检索了《化学教学》《化学教与学》《化学教育》《中学化学教学参考》《中学化学》五种中学化学教学期刊，以及《实验教学与仪器》《中小学实验与装备》《教育与装备研究》三种实验装备类期刊。以“碳酸钠”和“盐酸”为主题检索实验改进相关文献共100多篇（1986～2020年）[1]。
分析每一篇文章后发现，大多都存在一个共同的问题，即缺乏整体思考，往往仅从单一方面进行实验设计，才会导致后人一改再改。笔者尝试分析这些特定时期内的实验改进方案并对其进行了归纳与整理。
3 教材和文献中的主要改进部分
3.1 改进一：
滴加盐酸的装置——让反应过程“慢”下来
苏教版教材实验中利用胶头滴管向集气瓶中白色固体粉末加入浓盐酸，立即产生大量气泡，说明盐酸能与Na2CO3反应;人教版教材中设计了如图1（a）所示的实验，将气球中等物质的量的Na2CO3和NaHCO3同时倒入试管，观察气球体积的变化快慢，可以得出两者与盐酸反应时速率有差别，但还不能说明盐酸与Na2CO3的反应是分步进行的。为了让学生全面认识Na2CO3、 NaHCO3与盐酸的反应差异，探究其背后的原因，很多教师对盐酸的加入方式做了改进。2003年李安峰[2]开始使用注射器滴加盐酸，但只能控制反应发生，不能使两者均匀反应;2013年蔡行雯[3]将移液管和内塞玻璃球的橡胶管组成滴加装置，其控制原理类似于碱式滴定管[图1（b）]，但操作很不便;2015年吴晓红[4]直接使用酸式滴定管滴加盐酸，操作方便，但在敞口体系中气体的检测存在困难;此后影响较大的是2016年伍强[5]在传统气球实验的基础上，使用恒压滴液漏斗[图1（c）]，从此在密封体系中恒压滴液漏斗便成为原理探究的必要装置，并初步证实Na2CO3与盐酸反应是分步进行的。
3.2 改进二：
现象分析与产物检验——让反应现象更明显
Na2CO3与盐酸反应是分步进行的，第一步CO2-3与H+结合生成HCO-3，没有气体;第二步HCO-3与H+反应产生CO2气体。整理已有盐酸滴定Na2CO3实验研究发现，对于反应现象的改进主要有以下两方面。
一是传统实验现象的改进。2013年廖开胜[6]利用连通器原理完成Na2CO3、 NaHCO3与盐酸的对照实验[图2（a）]，将气体的生成转化成水位的变化，现象更明显，但实验装置过于复杂，操作不当则易漏气;伍强[7]继承原先的气球实验并采用恒压滴液漏斗逐滴加入稀盐酸与Na2CO3反应[图2（b）]，先无气体后产生气体使气球膨胀，定性判断该反应的分步进行。
二是数字化实验。随着手持技术的发展，2012年曾珍[8]利用压力传感器来检测体系压强，通过体系压强变化证明反应的分步进行;2014年孙卫中[9]采用pH传感器来检测反应过程中溶液的酸碱性变化，利用滴定曲线解释其分步反应原理;2016年霍爱新[10]通过CO2传感器来检测反应过程中CO2浓度变化，验证反 应的分步进行。上述数字化改进仍存在一定的弊端，要么仅仅利用压强或CO2浓度变化曲线将反应分步过程以数字化呈现，虽直观但不够深入;要么只是单独利用滴定曲线解释分步原理，对于必修学生来说不够直观，适用范围太窄。
3.3 改进三：
合适的反应装置——让反应更可控
合适的反应装置需要综合考虑滴加与产物检验的要求。传统实验通过气球与液压的方式观察气体的生成，要求密封性好，常用多孔橡胶塞配合广口瓶[11]或U型管使用[12]。利用多口烧瓶进行反应[13][图3（a）]，可以将加液和检验融为一体，操作起来比较方便。数字化实验中，CO2浓度和pH检测一般在敞口体系中，烧杯是最常见的选择。而压力传感器需要密闭环境，为了保证压力数据的准确性与灵敏性，必须使用刚性材料防止容器形变，这时可将注射器与具支试管用橡胶塞连接，具支试管的支管处与压力传感器相连，形成一个较小的密闭空间，适合压力测试[14][图3（b）]。由于CO2浓度和pH检测一般在敞口容器中进行，而压力传感器需要密闭环境，所以很难设计一套实验装备将它们统一起来，从多个视角进行相互验证。
3.4 改进四：
定量分析的保障——揭示反应的本质规律
定性探究说明反应是分步进行的，但不能确定两步反应中反应物间的量比关系。化学研究的对象是物质及其转化，而化学物质无论是否转化都是以确定的形式进行的，只有把研究物质及其转化从定性上升到定量的高度，才能揭示出物质存在的本质和转化规律[15]。于是对实验作进一步改进——定量改进：
用带刻度的恒压滴液漏斗代替分液漏斗，改用排水法收集气体;或通过数字化实验配套使用的滴数传感器来定量分析，实时生成各自的曲线（pHV、 CO2浓度V、 PV）使实验过程物质的量的变化清晰明了;若没有滴数传感器，则控制滴速恒定，利用时间和滴速计算液体用量，也可以很好地分析出分步原理及用量关系。
总而言之，碳酸钠溶液与盐酸反应原理的探究实验成功的关键在于装置选择、定量分析、产物检验等几个部分，故单一部分的改进往往存在缺陷，不能完美解释其反应原理。笔者选择以上关键部分再作改进，从整体出发重新思考，添加新的元素，设计出更安全、更合理、更便捷的新實验方案。
4 基于新元素的整体改进思考的实践研究
4.1 新元素一：
双支口蓝盖螺口瓶
作为反应容器的双支口蓝盖螺口瓶（设计后定制）是一种圆底、螺口带盖、两个支口的小型玻璃仪器，容积约150mL。两个支管功能不同，其中一个向瓶内延伸1cm，目的在于模拟微型滴定过程，将反应容器与滴加装置融为一体，另一个支口则用于导气。螺口高度约3cm，蓝盖可以直接旋紧，也可以用于固定内置橡胶塞，具备较好的密封性和抗压性（图4）。
4.2 新元素二：
双支口直身广口瓶
双支口直身广口瓶（设计后定制）的设计主要解决三个问题：
一是提高反应过程中CO2检测的灵敏度，CO2密度比空气大，由反应器扩散至检测器位置需要一定的时间，采用下进的方式可以及时检测CO2;二是为后续重复操作提供便利，在不拔出橡胶塞的情况下，可以通过另一支口及时排出装置内的CO2;三是支口连接压力传感器将压力测试和CO2浓度检验巧妙组合（图5）。
4.3 新元素三：
三通阀的妙用
如图6所示，医用三通阀是一种常见的医疗配件，主要用来改变装置内液体或气体的流向，并且在转换过程中无需中断。由于内部特殊结构所以不积存空气，为真实压力的监测提供保障，其特殊优势在中学化学实验改进中备受青睐。
通过三通阀连接形成恒压滴液方式[图7（a）]，保证滴液顺畅，并且两个阀门与针筒相连，一个固定角度控制流速，另一个控制开或关，形成自制的滴速控制装置，为后续定量分析做好准备[16][图7（b）]。整套装置通过三通阀连接，将多个实验作整体化设计，巧妙组合成实验装置，在密闭体系内便可完成Na2CO3和盐酸的反应以及一系列性质验证实验，包括压力检测、pH检 验和CO2浓度测定，在有限的教学时间内提高了课堂教学效率，并且随开随用，随关随停，可整体划一也可分而测之，提高了检测的灵活性。
4.4 新元素四：“四重表征”法的应用
“四重表征”教学模式指的是对物理或化学变化从宏观、微观、符号、曲线四重角度进行表征以及表征间相互转化的教学模式。运用该模式，在实验探究过程中融入“四重表征”的教学策略：
宏观表征是通过对比实验创设的问题情境，观察到反应过程中气体产生的过程与快慢，引发学生思考;然后微观上预测CO2-3和H+的反应原理，并结合宏观现象和数字化手段从定性和定量的角度进行微观探析;通过数据、表格、图像等的变化探究化学反应的变化过程，将宏观表征和微观探析相统一，从而促使学生理解并通过化学语言即化学方程式等表述某一个反应。“四重表征”环环相扣，组成一个有机整体（见图8），有助于认识和理解化学物质及其变化、完善学生知识体系、体验科学探究方法、培养学科核心素养。
其他仪器和试剂还有磁力搅拌器（带铁架台）、橡胶塞（3个）、小刀、橡皮筋、硅胶管若干、蒸馏水等。
4.5 实验步骤
（1） 根据装置要求，选择配制250mL 0.4mol/L的Na2CO3溶液和250mL 0.4mol/L的稀盐酸[17];
（2） 如图9所示组装仪器，并检查装置气密性;
（3） 向反应仪器中加入磁子和20mL 0.4mol/L的Na2CO3溶液，针筒中加入50mL 0.4mol/L的稀盐酸;
（4） 打开搅拌器和针筒阀门，向Na2CO3溶液中滴加盐酸同时开始采集数据，观察数据变化;
（5） 当各数据不再变化时，停止滴加盐酸和数据采集并作分析。具体数据及分析详见笔者2021年在《化学教学》第6期发表的“基于传感器检测探究盐酸与碳酸钠溶液的反应”一文。实验结束后，整理实验药品与仪器。
5 有关实验的几点思考
5.1 实验创新要多视角
本实验是高中化学教学中常见的原理探究型实验，利用中学常见的化学实验仪器很难对这一原理进行较全面的探究，所以需从不同的视角进行研究，逐步揭示反应的特征和规律。对于操作而言，既要简便，又要体现反应的分步过程;对于装置而言，既要保证滴加装置、反应装置、检验装置间相互独立，又要将其整体统一于同一密封体系;对于结果而言，既要对现象进行定性分析，又要对图表数据作定量研究;对于实验而言，既是化学反应与现象分析的组合实验，又是pH、压力、CO2三者检测的互证实验。从不同的视角感受实验的严谨性与辩证性，启迪学生思维，激发学生兴趣，帮助学生建立网络知识体系，培养学生实验设计与实验操作能力，提高学生的综合素质。
5.2 实验创新要整体化
实验创新需注重实验设计的简约性、科学性和整体性，做到“整而不乱”。它不是各部分装置的简单串联，而是在改进原有实验装置的基础上，整合滴加装置、反应装置、产物检验装置和定量分析装置等，利用实验现象和图表数据等加深学生对化学反应原理的认识与理解。在整体思考的基础上，必需精心分析各个零散部分的优劣，去其糟粕，取其精华，在化零为整中形成解决各种问题的结构化逻辑与思路，促进学生科学思维与科学素养的发展，充分体现实验的育人价值。
参考文献：
[1]华方佑. 碳酸钠、 碳酸氢钠与盐酸反应快慢比较的演示实验的改进[J]. 教育与装备研究， 1986， （3）：
29～30.
[2]李安峰. 碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应微型化实验改进[J]. 实验教学与仪器， 2003， （11）：
16.
[3][12]蔡行雯. 碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应实验的创新设计[J]. 实验教学与仪器， 2013， （5）：
36～37.
[4]吴晓红. 利用pH传感器探究碳酸钠和碳酸氢钠与稀盐酸的反应[J]. 中国教育技术装备， 2015， （6）：
127～129.
[5][7][11]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， （8）：
63～65.
[6]廖开胜. “多、 快、 好、 省”的实验展台——Na2CO3与NaHCO3和酸反应的半定量对比实验的展台设计[J]. 化学教与学， 2013， （5）：
93～94.
[8][14]曾珍. 利用“手持技术”比较碳酸钠和碳酸氢钠与稀盐酸反应的速率[J]. 中小学实验与装备， 2012， （3）：
58～59.
[9]孙卫中. 碳酸钠和碳酸氢钠定量实验的开发与研究[J]. 中学化学教学参考， 2014， （4）：
53～55.
[10]霍爱新. 应用手持技术探究碳酸钠和碳酸氢钠的性质[J]. 化学教与学， 2016， （3）：
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[13]左传鹏. 碳酸钠与盐酸互滴实验的创新设计[J]. 实验教学与仪器， 2017， （6）：
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[16][17]张磊等. 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）：
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