碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1、碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)摘要：高中化學(xué)第一冊(人民教育出版社化學(xué)室編著2003年6月第1版)中，第32頁【實(shí)驗(yàn)27】是為證明“Na2CO3和NaHCO3都能與稀鹽酸反應(yīng)，但NaHCO3與稀鹽酸的反應(yīng)要比Na2CO3與稀鹽酸的反應(yīng)劇烈得多”而做的實(shí)驗(yàn)，但是該實(shí)驗(yàn)往往進(jìn)行的不盡如人意，并且只能由觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象而從定性方面帶給學(xué)生理解。而本試驗(yàn)不僅僅從氣密性等方面改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，使實(shí)驗(yàn)成功率大大提升，更可以從定性表征以及定量計(jì)算兩方面深化學(xué)生對于本實(shí)驗(yàn)的印象從而加深學(xué)生對于碳酸鈉和碳酸氫鈉區(qū)別的理解以及記憶。關(guān)鍵詞：碳酸鈉 碳酸氫鈉 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、【研究問題的提出】 高中化學(xué)第一冊(人民教育

2、出版社2003年6月第1版)中，第32頁有【實(shí)驗(yàn)27】，是這樣描述的：在兩只試管中分別加入3mL稀鹽酸，將兩個(gè)各裝有0.3g Na2CO3，和NaHCO3粉末的小氣球分別套在兩只試管口。將氣球內(nèi)的Na2CO3和NaHCO3，同時(shí)倒入試管中，比較它們放出CO2的快慢。由此實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是：Na2CO3和NaHCO3都能與稀鹽酸反應(yīng)，但NaHCO3與稀鹽酸的反應(yīng)要比Na2CO3與稀鹽酸的反應(yīng)劇烈得多。 但是課本實(shí)驗(yàn)存在著如下幾個(gè)不足，首先，將氣球簡單的套在管口，氣密性差，且在氣球脹大時(shí)易脫落。其次，粉末粘附在氣球內(nèi)壁與試管內(nèi)壁上較多，實(shí)際參加反應(yīng)的Na2CO3和NaHCO3的質(zhì)量不等。第三，學(xué)生只

3、能通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來認(rèn)知NaHCO3與稀鹽酸的反應(yīng)要比Na2CO3與稀鹽酸的反應(yīng)劇烈，但是只有定型表征并不足夠有說服力。第四，化學(xué)反應(yīng)速率的快慢不僅取決于物質(zhì)的性質(zhì)，還與反應(yīng)物的濃度有關(guān)。0.3gNa2CO3的物質(zhì)的量為0.0028mol，0.3g NaHCO3的物質(zhì)的量為O0036mol，加入3mL稀鹽酸后，如果不考慮溶液體積變化，Na2CO3的物質(zhì)的量濃度為0.93mol/L，NaHCO3的物質(zhì)的量濃度為1.2mol/L，由此來比較反應(yīng)速率是不科學(xué)的。第五，濃度小于6mol/L的鹽酸都可稱之為稀鹽酸，原實(shí)驗(yàn)只是模糊的說要用稀鹽酸，這在操作中是不好把握的?！窘鉀Q問題的設(shè)想】基于上述提出的四點(diǎn)不足

4、，我們小組提出了如下幾點(diǎn)對應(yīng)的解決方案。1、對于使用氣球收集氣體氣密性差的原實(shí)驗(yàn)，我們采用了排水法收集氣體，排水法大大的提高了收集氣體的氣密性，但是也存在著CO2可溶于水的不足。2、對于Na2CO3和NaHCO3的質(zhì)量不等以及物質(zhì)的量不等的問題，我們采取的方法是使Na2CO3和NaHCO3均大大過量，從而由控制稀鹽酸的濃度相同來控制反應(yīng)條件一致。3、對于原實(shí)驗(yàn)只能給學(xué)生定型表征，我們設(shè)計(jì)了由排出同樣體積的CO2所用的時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系來求得反應(yīng)速率，從定量計(jì)算的角度來使學(xué)生深化對于碳酸鈉和碳酸氫鈉區(qū)別的理解以及記憶。4、對于鹽酸濃度的確定，我們查閱了相關(guān)文獻(xiàn)資料。文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)證明只有濃度在0.5-1

5、.0mol/L的稀鹽酸跟Na2CO3和NaHCO3反應(yīng)才能根據(jù)反應(yīng)的劇烈程度區(qū)分反應(yīng)的劇烈程度。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室有提供配制好的1mol/L稀鹽酸，故本小組則采用濃度為1.0mol/L稀鹽酸作為與Na2CO3和NaHCO3反應(yīng)的試劑。【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案】1、實(shí)驗(yàn)原理Na2CO3和NaHCO3反應(yīng)產(chǎn)生CO2，但是根據(jù)反應(yīng)方程式可知兩種固體的反應(yīng)產(chǎn)生的快慢有很大的區(qū)別。本實(shí)驗(yàn)是Na2CO3和NaHCO3大大過量，所以Na2CO3不會(huì)立刻和稀鹽酸發(fā)生的反應(yīng)，而是先與稀鹽酸反應(yīng)生成NaHCO3，再由NaHCO3與稀鹽酸反應(yīng)生成CO2。所以會(huì)出現(xiàn)NaHCO3與稀鹽酸的反應(yīng)要比Na2CO3與稀鹽酸的反應(yīng)劇烈得多的實(shí)

6、驗(yàn)結(jié)果。 并由排出同樣體積的水即收集相同體積的CO2所用的時(shí)間計(jì)算出反映的速率之比。從定量計(jì)算角度再次理解這個(gè)問題。2、實(shí)驗(yàn)儀器及試劑(1)試劑：碳酸鈉固體、碳酸氫鈉固體、1.0mol/L稀鹽酸溶液(2)儀器：鐵架臺(tái)、圓底燒瓶、單孔橡膠塞、分液漏斗（20ml）、橡膠導(dǎo)管、玻璃彎管、集氣瓶（100ml）、雙孔橡膠塞、錐形瓶(200ml)3、實(shí)驗(yàn)步驟1、如下圖組裝1套反應(yīng)裝置,組裝好后，檢查裝置氣密性。2、向圓底燒瓶中加入1g Na2CO3 固體，向分液漏斗中加入10ml稀鹽酸。（體積約為分液漏斗的一半）3、打開分液漏斗，開始滴加稀鹽酸，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并在排出水的量為10ml即收集的氣體的體積為1

7、0ml時(shí)記錄所用時(shí)間并停止反應(yīng)。4、將藥品換成NaHCO3并重復(fù)步驟2,3。5、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。4、實(shí)驗(yàn)裝置圖1.鐵架臺(tái)2.支管圓底燒瓶（內(nèi)裝有藥品）3.分液漏斗（內(nèi)裝有稀鹽酸）4.集氣瓶（內(nèi)裝有水）5.錐形瓶（帶刻度） 【實(shí)驗(yàn)過程記錄】1、在進(jìn)行NaHCO3與稀鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，0-5s的時(shí)間段中氣體生成速度越來越快，且反應(yīng)進(jìn)行的十分劇烈，可觀察到由于產(chǎn)生氣泡的速度很快，圓底燒瓶里液體呈白色（氣泡產(chǎn)生破裂速度極快導(dǎo)致）看不清藥品表面的氣泡。并有大量水排出，很快就收集到10ml水。2、在進(jìn)行Na2CO3與稀鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，0-5s的時(shí)間段中氣體生成速度越來越快，且反應(yīng)進(jìn)行的較為劇烈，可看清藥品表面

8、的氣泡，排水速度也稍緩慢，收集到10ml水后停止試驗(yàn)。【實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析】1. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)藥品用量： NaHCO3 ：1.6g、Na2CO3：2.0g、HCl（6mol/L）：10mL 氣體體積反應(yīng)時(shí)間50mL100mL150mL200mLNaHCO3 /s4.069.1426.5969.13Na2CO3 /s5.019.3115.5130.54從以上的數(shù)據(jù)和圖表我們可以直觀地看出，同樣生成50ml的氣體，碳酸氫鈉與碳酸鈉反應(yīng)時(shí)所需要的時(shí)間更少，從定量的角度我們成功地證明了碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)比碳酸鈉和鹽酸的反應(yīng)更容易進(jìn)行。從實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行分析，我們知道，碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)的過程需要分兩步

9、進(jìn)行。第一步：Na2CO3+HCl=NaCl+NaHCO3 ； 第二步：NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+ CO2一開始的時(shí)候，碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)，必須全部轉(zhuǎn)化為碳酸氫鈉之后才能繼續(xù)與鹽酸反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w，而碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)是一步進(jìn)行的。反應(yīng)原理如下：NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+ CO2所以，碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)的速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的速率大得多。但是隨之我們發(fā)現(xiàn)，在生成100mL的氣體后，碳酸鈉的反應(yīng)速率要比碳酸氫鈉大得多。這是因?yàn)樵诤笃诘姆磻?yīng)中，碳酸鈉完全轉(zhuǎn)化為碳酸氫鈉，溶液中碳酸氫鈉的濃度要比之前大得多，所以在后期碳酸鈉的反應(yīng)速率反而比碳酸鈉的反應(yīng)速率要快。而

10、且，我們發(fā)現(xiàn)，碳酸鈉與鹽酸的反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)而碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)。由于在反應(yīng)過程中放出熱量，溫度升高，會(huì)使反應(yīng)的速率加快，因此在后期的反應(yīng)中，碳酸鈉與鹽酸的反應(yīng)呈加快的趨勢。相反的，碳酸氫鈉與鹽酸的反應(yīng)則呈現(xiàn)出相對緩慢的趨勢。實(shí)際上，我認(rèn)為在本次實(shí)驗(yàn)中，采用碳酸鈉和碳酸氫鈉固體可能會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的干擾。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鹽酸的濃度比較低的時(shí)候，在較短的實(shí)驗(yàn)內(nèi)碳酸鈉和碳酸氫鈉均不能夠完全溶解，會(huì)造成一定的實(shí)驗(yàn)誤差，因此，我們最好改用碳酸鈉或者碳酸氫鈉溶液來進(jìn)行反應(yīng)。另外，由于作用鹽酸的濃度過高，反應(yīng)又伴隨著吸熱和放熱同時(shí)進(jìn)行，鹽酸在反應(yīng)的過程中有可能受熱逸出，與飽和碳酸氫鈉溶液反

11、應(yīng)，造成非反應(yīng)生成氣體原因的排水體積的變化，同樣會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。2. 其他改進(jìn)方法節(jié)選將中學(xué)實(shí)驗(yàn)與大學(xué)知識結(jié)合起來，用大學(xué)知識來區(qū)別碳酸鈉和碳酸氫鈉這兩種不同的物質(zhì)，以下是參考文獻(xiàn)的相關(guān)鑒別方法。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸反應(yīng)的熱效應(yīng)是明顯不同的，碳酸氫鈉與稀鹽酸反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng)，而碳酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，我們設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)，用定量研究的方法來證明：分別用兩只具支試管，各用一個(gè)與具支試管配套的雙孔塞子，一個(gè)孔中裝一支溫度計(jì)，另一個(gè)孔中裝一個(gè)分液漏斗。實(shí)驗(yàn)裝置如下： 兩只具支試管中分別加入1g NaHCO3和Na2CO3固體，分液漏斗中分別盛有10ml、

12、2mol/L稀鹽酸，采用具支試管，可以便于產(chǎn)生的氣體逸出。同時(shí)打開兩個(gè)漏斗的活塞，把10ml稀鹽酸完全放出，會(huì)觀察到：Na2CO3和NaHCO3與稀鹽酸地反應(yīng)程度同樣劇烈，這時(shí)候僅從反應(yīng)的劇烈程度是難以區(qū)分出Na2CO3和NaHCO3的，但是1g Na2CO3和NaHCO3與10ml、2mol/L不僅完全反應(yīng)的時(shí)間是不同的，且反應(yīng)后溶液的溫度發(fā)生了明顯的變化，1g Na2CO3與10ml稀鹽酸完全反應(yīng)溫度由室溫升高了，用手觸摸式管底部，可以明顯的感覺到試管變熱；1g NaHCO3與10ml稀鹽酸完全反應(yīng)溫度由室溫降低了，這時(shí)候用手觸摸試管底部，會(huì)感覺到試管底部變得非常涼，從溫度變化我們可以知道

13、，Na2CO3和NaHCO3與稀鹽酸伴隨著明顯的吸熱和放熱現(xiàn)象，我們可以從這兩個(gè)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變來解釋這一現(xiàn)象：Na2CO3(s)+2H+=2Na+H2O(l)+CO2(g) NaHCO3(s)+H+=Na+H2O(l)+CO2(g) 物質(zhì)Na2CO3(s)NaHCO3(s)H+H2O(l)Na+CO2(g)rHm,298（KJ/mol）1130.68947.70285.83239.66393.51（數(shù)據(jù)來源于）根據(jù)公式：rHm=(fHm)產(chǎn)物(fHm)反應(yīng)物27.98KJ/mol(rHm0，此反應(yīng)為放熱反應(yīng))反應(yīng)r,298=(239.66)(285.83)(393.51)(947.7)

14、0=28.7 KJ/mol(rHm0，此反應(yīng)為吸熱反應(yīng))通過計(jì)算，我們可以很好的解釋了Na2CO3和NaHCO3固體與稀鹽酸反應(yīng)的熱效應(yīng)的不同：反應(yīng)的rHm,298=2×(239.66)(285.83)(393.51)(1130.68)2×0= 27.98 KJ/mol(rHm<0，為區(qū)分碳酸鈉和碳酸氫鈉提供了一個(gè)比較好的方法。3. 通過查閱許多文獻(xiàn)資料，下面呈現(xiàn)部分優(yōu)秀的改良實(shí)驗(yàn)裝置。3.1.2實(shí)驗(yàn)步驟1.分別在三叉管的支管A和支管B中加入等摩爾(0.01摩爾即1.06克的碳酸鈉和0.84克的碳酸氫鈉)的碳酸鈉和碳酸氫鈉固體;并將三叉管固定在鐵架臺(tái)上;2.在兩支滴管

15、中分別吸入等體積(l2ml)的0.5M的鹽酸;3.將上述帶有滴管(吸入0.5M 1一2ml鹽酸)橡塞塞緊三叉管管口;4.用手同時(shí)捏擠兩支滴管的膠頭，使鹽酸分別注入A、B支管。3.1使用三叉管改進(jìn)實(shí)驗(yàn)3.1.1實(shí)驗(yàn)裝置圖3.1.3實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.裝置簡約，方便；2. 節(jié)約試劑；3. 操作簡單，并且能夠形成比照實(shí)驗(yàn)；缺點(diǎn)：1.體系處理封閉狀態(tài)，容易造成“沖塞”現(xiàn)象；2.較難控制反應(yīng)的進(jìn)行；3.2使用注射活塞改進(jìn)實(shí)驗(yàn)3.2.1實(shí)驗(yàn)裝置圖3.2.2實(shí)驗(yàn)步驟1. 在兩個(gè)集氣瓶中分別加入125ml的滴有紅墨水的飽和碳酸氫鈉溶液。 2. 注射器內(nèi)吸入適量空氣后，塞緊膠塞，按下注射器活塞，檢查裝置的氣

16、密性。3. 兩支具支管中登分別加入0.1g碳酸鈉和0.08g碳酸氫鈉粉末，兩支注射器中各抽取5ml 1mol/L的稀鹽酸，將針頭扎在橡膠塞上。4. 用注射器同壓板同時(shí)按下注射器活塞，注入稀鹽酸。3.2.3實(shí)驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.利用同壓板可以保證兩個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，操作簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，對比性強(qiáng)，同時(shí)也增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性。2.為科學(xué)探究碳酸根和氫離子結(jié)合過程提供強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)保證。缺點(diǎn)：1.操作相對其他裝置較復(fù)雜。2.實(shí)驗(yàn)的器材需要自己進(jìn)行處理?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 張秋彥. 碳酸鈉和碳酸氫鈉與稀鹽酸J. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn), 2010, 26(3):19-20.2 周漢芳. 碳酸鈉、碳酸氫鈉.與鹽酸反應(yīng)J. 化學(xué)教學(xué), 1989(1):26.3 李德玉. 鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)J. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考, 1988(03):14.