多角度验证二氧化碳与氢氧化钠反应的一体化装置

摘要

二氧化碳与氢氧化钠溶液反应存在无明显现象的问题，现有实验改进大多是从一到两个角度证明反应发生，具有一定的片面性。设计创新实验，从反应物二氧化碳的消失、手机热成像技术表征能量变化以及新物质碳酸钠的生成3个角度验证反应的发生，可凸显反应的可视化特征，既便于建构无明显现象反应的思维模型，又能培养学生的证据推理意识。

Graphical abstract

关键词

二氧化碳 / 饱和氢氧化钠的乙醇溶液 / 手机热成像技术 / 一体化

《义务教育化学课程标准（2022年版）》指出：实验探究和模型建构是化学科学研究的基本方法。以实验为基础是化学学科的重要特征之一，化学实验对全面发展学生的核心素养有着极为重要的作用。要注重发挥现代信息技术的作用，积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合^［1］。

二氧化碳与氢氧化钠反应是初中化学重要的实验探究内容，也是初中阶段无明显现象的代表反应之一，但二氧化碳与氢氧化钠反应在众多版本教材中基本上都是借类比得出结论或从单一角度进行验证。例如：人教版教材通过类比二氧化碳与澄清石灰水反应，就直接呈现结论“氢氧化钠在空气中不仅吸收水分，还会发生下列反应：2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O”^［2］；科教版教材探究二氧化碳与氢氧化钠反应^［3］；鲁教版教材采用“向两个盛有二氧化碳气体的矿泉水瓶里分别加入少量氢氧化钠溶液和氢氧化钙溶液，立即盖紧瓶盖，振荡，观察现象，然后排除溶于水的因素，证明二氧化碳与氢氧化钠发生反应”^［4］；沪教版教材装置探究二氧化碳与氢氧化钠反应^［5］。上述教材实验方法均存在证据推理意识不够的问题，导致无法建构无明显现象反应的思维模型。

1 已有设计

在实际教学中，教师都会通过演示或改进此类实验，让学生在实验中获得二氧化碳与氢氧化钠反应的证据，也有很多相关的论文。例如：王丽等^［6］从有生成物产生角度验证；张书振等^［7］从反应物二氧化碳减少和有生成物产生两个角度加以验证。上述实验装置的设计，都没有同时从3个角度验证反应的发生。林丹等^［8］分别从3个角度验证且能从定量的角度验证实验。但装置稍显复杂，不利于师生操作。

化学变化的本质特征是有新物质产生，且化学变化通常伴随能量的变化以及化学变化过程中反应物的减少。所以说，对于无明显现象的反应，我们可以从以下3个角度建构思维模型：新物质生成、能量变化和反应物消失。笔者从实验装置简约化、实验效果显著化、实验角度多样化出发，利用一套实验装置同时从3个角度（反应物二氧化碳的消失、手机热成像技术表征能量变化，以及新物质碳酸钠的生成）证明反应的发生，实现了实验一体化，同时建构了无明显反应论证的思维模型。基于证据教学，能帮助学生建构思维模型，有利于后续探究氢氧化钠与盐酸反应以及其他无明显现象反应的探究。

2 实验改进

2.1 实验药品和仪器

二氧化碳（钢瓶中的二氧化碳是工业级，纯度超过99.5%）、饱和氢氧化钠的乙醇溶液（用无水乙醇配制）、150 mL针筒2只、止水夹、铁架台、胶皮管、手机热成像仪。

2.2 实验装置

创新设计的实验装置如图1所示。

3 实验过程

（1） 二氧化碳气体与饱和氢氧化钠的乙醇溶液发生反应（室温26 ℃）。

①注射器1中装有150 mL二氧化碳气体，注射器2中装有15 mL饱和氢氧化钠的乙醇溶液，关闭止水夹，用手机热成像仪拍摄实验前的温度图象；②打开止水夹，推动注射器1活塞，使二氧化碳气体进入注射器2中，不断振荡注射器2，分别用手机和手机热成像仪拍摄实验结束后的装置图和热成像图。

（2） 二氧化碳气体与饱和氢氧化钠的乙醇溶液反应后的操作。

①二氧化碳气体与饱和氢氧化钠的乙醇溶液反应结束后，将注射器2中的物质转移到100 mL烧杯中，分别用手机和手机热成像仪拍摄实验前的装置图和热成像图； ②往烧杯中加入适量稀硫酸，分别用手机和手机热成像仪拍摄实验现象和热成像图。

4 实验结果与分析

4.1 反应物减少角度证明

实验前二氧化碳与饱和氢氧化钠的乙醇溶液总体积是165 mL，反应后两者总体积变成20 mL，二氧化碳体积减小145 mL。此外，查阅资料可知，二氧化碳不溶于无水乙醇且不与乙醇反应，分析可知：二氧化碳减少的原因是氢氧化钠与二氧化碳发生反应，这就从反应物角度证明了二氧化碳与氢氧化钠发生反应。

4.2 能量角度证明

实验前，最高温度是27.2 ℃（出现在铁架台上），推测注射器2里的饱和氢氧化钠的乙醇溶液温度在27.2 ℃以下。实验结束后可知，反应后溶液体系最高温度为31.9 ℃，拉近拍摄看到温度为32.7 ℃，可以明显看出二氧化碳与氢氧化钠反应造成温度升高，这就从能量角度证明二氧化碳与氢氧化钠反应的同时伴随着释放热量。

4.3 生成物角度证明

实验前针筒2中饱和氢氧化钠的乙醇溶液是澄清的，实验后针筒2中可以看出产生大量白色沉淀。查阅资料可知，在相同温度下，氢氧化钠和碳酸钠在乙醇中的溶解度如表1所示。由表1数据可以推测，产生的白色沉淀是不溶于乙醇的碳酸钠，这就从生成物角度证明了二氧化碳与氢氧化钠发生反应。

往二氧化碳气体与饱和氢氧化钠的乙醇溶液反应后的液体中滴加稀硫酸，可以明显看到产生大量的气泡，同时看出生成物碳酸钠与稀硫酸反应导致温度升高，再次从侧面证明二氧化碳与氢氧化钠反应的生成物为碳酸钠。

5 装置优点

5.1 装置一体化，组装简单，操作方便

本创新实验实现装置一体化，主要实验仪器为两支注射器。先将饱和氢氧化钠的乙醇溶液提前配制好，再将二氧化碳从二氧化碳钢瓶中充入氧气袋中；用注射器吸取二氧化碳，能保证二氧化碳的纯度，装置组装简单。实验时只需要将二氧化碳由注射器1中推入注射器2中，操作方便，非常适合于课堂演示。此外，能同时从3个角度验证氢氧化钠与二氧化碳发生反应，便于学生加深对氢氧化钠与二氧化碳反应的认识。

5.2 利用手机热成像仪实现热量变化可视化

传统温度测量方法是用温度计或者温度传感器，需要和反应体系物质直接接触，对气密性要求高，且利用温度传感器进行实验的操作比较复杂。手机热成像仪不需要和物质直接接触，能够将温度变化转化成不同颜色的图象，使看不见的温度可视化。手机热成像仪就是一个摄像头，直接与手机连接，手机上安装有配套App，通过希沃授课助手软件就能将热成像仪的实验图象实时投屏到一体机上。手机热成像技术可以丰富温度表征方式，将温度转化成不同颜色的图象，从而实现温度变化的可视化，使学生能够在证据推理过程中更好地理解物质变化，体会科学研究的严谨，感受化学实验带来的乐趣。

5.3 基于证据推理，建构无明显现象反应的思维模型

二氧化碳与氢氧化钠反应是初中无明显现象反应的代表，对于其演示实验或学生分组实验，教师可让学生从3个角度（反应物二氧化碳的消失、手机热成像技术表征能量变化，以及新物质碳酸钠的生成）获取反应的证据，并在证据推理过程中理解二氧化碳与氢氧化钠确实发生了反应，从而引导学生建构无明显现象反应是否发生的思维模型——新物质生成、能量变化和反应物消失。毫无疑问，帮助学生建构思维模型，有利于后续探究氢氧化钠与盐酸反应以及其他无明显现象反应。

５　创新之处

（1） 用精度为0.01 g的袖珍台秤代替弹簧测力计，精确度提高到0.000 1 N（g=10 m/s²），测量更快捷、更精确。

（2） 利用在斜面上支持力垂直于接触面，确定力的方向更准确，利用矢量平移作出受力的示意图更方便。

（3） 在传统实验的基础上拓展方法，可以使实验更具稳定性和可操作性；取材简便，便于引导学生在生活中探究物理问题。

（4） 充分利用了“平衡”的特点，丰富了“等效性”的内涵。

６　教学应用价值

可以探究二力合成的规律，也可以进一步探究力的分解规律同样满足平行四边形定则。实验有助于学生更深层次地理解“等效性”“平衡”等概念。可以进行一些三力平衡的动态演示，验证理论分析的正确性，从而为学习进阶提供有效路径。

７　实验效果评价

（1） 保证了一定的成功率。例如，若探究实验误差过大，则会使学生对有关理论产生不必要的怀疑。因此，保证并尽可能地提高实验成功率是非常必要的。改进实验具有很好的稳定性，既避免了学生个体差异的影响，使各力的测量更精确、各力的方向记录更准确，又保证了实验的高成功率。

（2） 具有可靠的操作性。用电子袖珍台秤替代弹簧秤，一方面使实验更加稳定，避免了各种干扰因素的影响，另一方面使各力大小和方向的测量更加精确、操作更加便捷，在一定程度上节省了实验的操作时间，让思考的时间更充裕。

（3） 具有一定的引导性。教师引导学生在生活中探究物理问题，既便于加深学生对物理概念、物理规律的认识和理解，又便于强化学生的动手能力，从而为学生创新思维的发展奠定坚实的基础。

该改进实验已在学校的高一年级试用，取得了明显的教学效果。教师反映：整个实验过程清晰、操作方便、实验现象明显，易于学生操作，实现了教学效果和效率的双提高，值得进一步推广。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育化学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022．

[2] 王晶，郑长龙.义务教育教科书化学九年级下册［M］.北京：人民教育出版社，2012.

[3] 江琳才.义务教育教科书化学九年级下册［M］.北京：科学出版社，2012.

[4] 毕华林，卢巍.义务教育教科书化学九年级全一册［M］.济南：山东教育出版社，2019.

[5] 王祖浩，王磊.义务教育教科书化学九年级下册［M］.上海：上海教育出版社，2012.

[6] 王丽，张瑜.构建无明显现象反应的可视化思维模型：以“氢氧化钠与二氧化碳反应”为例［J］.中学化学教学参考，2023（02）：55-57.

[7] 张书振，常明友.双角度验证二氧化碳与氢氧化钠反应的一体化创新实验装置［J］.理科考试研究，2022，29（04）：56-58.

[8] 林丹，周文荣.探究氢氧化钠与二氧化碳发生反应的一体化实验设计［J］.化学教与学，2022（23）：89-92. （上接第75页）

基金资助

福建省教育科学规划常规2024年度课题“基于微项目式的初中化学实验教学模式的设计与实践研究”(FJJKZX24-019)