碳酸鈉和碳酸氫鈉與酸反應(yīng)生成二氧化碳速率比較

1、實(shí)驗(yàn)五 Na2CO3、NaHCO3與酸反應(yīng)生成CO2速率比較一、 探究問題的提出人教版普通高級中學(xué)教科書 (試驗(yàn)修訂本必修) 化學(xué)第一冊 實(shí)驗(yàn) 2- 7碳酸鈉、碳酸氫鈉與稀鹽酸反應(yīng)的對比實(shí)驗(yàn):用等質(zhì)量( 0.3g)的碳酸鈉和碳酸氫鈉與 3mL的稀鹽酸發(fā)生反應(yīng),通過氣球膨脹快慢和大小來比較了兩個(gè)反應(yīng)的劇烈程度。通過大量的實(shí)驗(yàn)和學(xué)生的科學(xué)探究, 我們小組認(rèn)為, 這個(gè)實(shí)驗(yàn)存在以下幾點(diǎn)不足:1、沒有指明鹽酸的具體濃度。并不是所有濃度的稀鹽酸都能比較出兩個(gè)反應(yīng)的劇烈程度的。經(jīng)過查閱文獻(xiàn)可知: 當(dāng)鹽酸的濃度超過1.8mol /L時(shí),二者反應(yīng)同樣劇烈,無法比較。2、 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。并不能很明顯地觀察到氣球

2、膨脹的快慢。3、 用氣球膨脹的大小來比較二者的反應(yīng)速率是不科學(xué)的。 0.3g的 Na2CO3的物質(zhì)的量是0.0028mol, 0.3g 的NaHCO3 的物質(zhì)的量是0.0036mo,若鹽酸是足量的, 則 NaHCO3比Na2CO3產(chǎn)生的二氧化碳多,氣球膨脹的就大。若鹽酸是不足量的,則二氧化碳的量用鹽酸來計(jì)算,鹽酸的量是相等的,所以二氧化碳的量相等,氣球膨脹的一樣大。因此,氣球膨脹的大小與反應(yīng)速率無關(guān)。4、反應(yīng)不同步。兩手拿氣球往試管中傾倒藥品,操作不規(guī)范, 難以保證反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。為了解決以上不足, 我們小組對此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn),取得了較好的效果。二、 問題解決設(shè)想1、 鹽酸濃度的控制，通過文獻(xiàn)的

3、查閱，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)鹽酸的濃度超過1.8mol /L時(shí),碳酸鈉和碳酸氫鈉反應(yīng)同樣劇烈,無法比較。因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)想采用1mol/L的HCl與碳酸鈉和碳酸氫鈉反應(yīng)，既能保證實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的速率，又能達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果。2、 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。想要在未改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)中觀察到氣球膨脹的快慢是存在難度的，同時(shí)也很難保證氣球體積的一致。因此，我們設(shè)想將產(chǎn)生的氣體的快慢和多少通過轉(zhuǎn)換為長導(dǎo)管的水柱高度來表征，由于導(dǎo)管的管徑很小，氣體的產(chǎn)生對水柱上升的高度有很明顯的影響，通過觀察水柱上升的高度和快慢我們可以直觀得觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。3、 碳酸鈉和碳酸氫鈉反應(yīng)的用量的確定。為了使能夠針對性得探究碳酸鈉和碳酸氫鈉本身性質(zhì)對與其和鹽酸反

4、應(yīng)的影響。我們需要采用控制變量法，因此，在這里我們將反應(yīng)的碳酸鈉和碳酸氫鈉的物質(zhì)的量均定為0.01mol，也就是分別為1.06g和0.84g。4、 為了使反應(yīng)同步進(jìn)行，我們設(shè)想采用注射器同壓板同時(shí)按下注射器活塞, 注入稀鹽酸。5、 為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說服力和直觀性，我們小組將同時(shí)從定性和定量的角度進(jìn)行分析，通過導(dǎo)管液面上升的速度隨時(shí)間的變化作圖分析。三、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案1、 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑（1） 實(shí)驗(yàn)儀器移液管 50mL 2支 集氣瓶 125mL 2只具支試管 13mmX170mm 2支 雙孔橡皮塞 2個(gè)注射器 10mL 2支 天平 1臺(tái)同壓板 1個(gè) （2） 實(shí)驗(yàn)試劑碳酸鈉 固體 碳酸氫鈉 固體

5、濃鹽酸 1瓶 紅墨水 1瓶2、實(shí)驗(yàn)裝置圖 3、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, 檢查裝置的氣密性(移液管內(nèi)有紅色液柱上升, 并能保持恒定位置, 證明氣密性良好)。（3） 兩支具支管中分別加入 1.06g Na 2CO3和0.84g NaHCO3 (此時(shí)二者物質(zhì)的量相等均為0.01mol)粉末, 兩支注射器中各抽取 10mL1mo l/L的稀鹽酸(保證稀鹽酸是過量的 ), 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。（5）觀察長導(dǎo)管液面上升情況，每間隔5s分別在

6、兩導(dǎo)管做標(biāo)記。（6）讀取不同時(shí)間段液面上升的高度，并以液面高度對時(shí)間作圖，定量分析碳酸鈉和碳酸氫鈉和鹽酸反應(yīng)的快慢程度。四、 實(shí)驗(yàn)過程記錄1、實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步改進(jìn)由于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)儀器的缺乏，實(shí)驗(yàn)在開始的過程中就遇到了問題。最后將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了另外的改進(jìn)。首先將注射器換為分液漏斗，同時(shí)可以達(dá)到控制滴加速度和時(shí)間的效果。其次實(shí)驗(yàn)室缺乏長導(dǎo)管，我們將采用另外的方法，即排水集氣法收集由于產(chǎn)生氣體排出的水。將導(dǎo)管放入燒杯中收集排出的水，根據(jù)水排出的速度和體積進(jìn)行記錄，對此進(jìn)行定性和定量的分析。最后，由于同壓板缺乏，我們將只使用一套實(shí)驗(yàn)裝置，通過記錄反應(yīng)時(shí)間，這個(gè)時(shí)候就不需要讓反應(yīng)同時(shí)發(fā)生了，也可以排除實(shí)驗(yàn)裝置不同

7、對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置圖2、 實(shí)驗(yàn)過程記錄（1）第一次實(shí)驗(yàn)：稱取1.06g的碳酸鈉和0.84g的碳酸氫鈉，觀察其形態(tài)：均為白色粉末狀固體。將稱取的碳酸氫鈉放入具支試管中，將10mL1mol/L的HCl放入分液漏斗中，往碳酸鈉中一次性加入HCl，觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 將稱取的碳酸鈉放入具支試管中，將10mL1mol/L的HCl放入分液漏斗中，往碳酸鈉中一次性加入HCl，注意兩次滴加的時(shí)間應(yīng)盡量相同，以減少實(shí)驗(yàn)誤差，觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。將10mL1mol/L的HCl放入分液漏斗中，往碳酸鈉中逐滴勻速加入HCl，觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與反思：藥品項(xiàng)目碳酸鈉+鹽酸碳酸氫鈉+鹽酸實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

8、分液漏斗中的部分鹽酸滴加到具支試管中后，沒有辦法繼續(xù)滴加，已滴加的鹽酸和碳酸鈉發(fā)生反應(yīng)，可在溶液中觀察到氣泡冒出，但是氣體瓶中的水沒有進(jìn)入到燒杯中。分液漏斗中的部分鹽酸滴加到具支試管中后，沒有辦法繼續(xù)滴加，已滴加的鹽酸和碳酸氫鈉鈉發(fā)生反應(yīng)，可在溶液中觀察到氣泡冒出，但是氣體瓶中的水被壓入到燒杯中，集氣瓶中水已被完全排出，仍有氣泡在溶液中冒出?，F(xiàn)象解釋觀察到溶液中有氣泡產(chǎn)生，說明反應(yīng)已經(jīng)順利進(jìn)行，但是由于鹽酸與碳酸鈉的反應(yīng)較慢，一開始并無氣體產(chǎn)生，所以開始時(shí)鹽酸可以滴加到具支試管中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，部分碳酸鈉轉(zhuǎn)化為鹽酸，也就是說溶液中已經(jīng)有部分的HCO3-存在，繼續(xù)滴加鹽酸，很快轉(zhuǎn)化為CO2和H

9、2O但此時(shí)由于生成的CO2氣體較少，氣壓不足以將集氣瓶中的水壓到燒杯中去，但是氣壓的增大卻使鹽酸無法繼續(xù)滴加，造成實(shí)驗(yàn)的失敗。觀察到溶液中有氣泡產(chǎn)生，說明反應(yīng)已經(jīng)順利進(jìn)行，由于碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)是一步進(jìn)行的，因此反應(yīng)的速率很快，生成的CO2氣體較多，因此，產(chǎn)生的氣壓足以將集氣瓶中的水壓入燒杯中。但是，當(dāng)集氣瓶中的水排盡之后，反應(yīng)還在進(jìn)行，說明集氣瓶的體積太小，小于反應(yīng)產(chǎn)生氣體的體積，實(shí)驗(yàn)反思本次實(shí)驗(yàn)忽略了實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣壓會(huì)使反應(yīng)物鹽酸無法完全滴加到具支試管中的問題，而且沒有完全考慮到集氣瓶的體積與產(chǎn)生的氣體體積大小的關(guān)系，導(dǎo)致兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)均以失敗告終。（2）第二次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)之處（針對第一次實(shí)驗(yàn)）：

10、由于分液漏斗無法將鹽酸完全滴加到具支試管中，我們將分液漏斗換為10mL的注射器。就可以利用外力將鹽酸全部加入到具支試管中。另外，通過計(jì)算，當(dāng)0.01mol的碳酸鈉或者碳酸氫鈉完全反應(yīng)時(shí)，將會(huì)生成224mL的CO2氣體，所以我們小組將集氣瓶換為350mL的礦泉水瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟與第一次實(shí)驗(yàn)相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與反思 藥品項(xiàng)目碳酸鈉+鹽酸碳酸氫鈉+鹽酸實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象用注射器將鹽酸滴加到具支試管中后，在溶液中觀察到氣泡冒出，但是礦泉水中的水沒有進(jìn)入到燒杯中。具支試管底部有較多白色固體殘留。用注射器將鹽酸滴加到具支試管中后，在溶液中觀察到氣泡冒出礦泉水中的水進(jìn)入到燒杯中。具支試管底部有少量白色固體殘留（與碳酸

11、鈉和鹽酸反應(yīng)的時(shí)間相同）?，F(xiàn)象解釋在本次實(shí)驗(yàn)中，鹽酸已經(jīng)完全加入到具支試管中，反應(yīng)能夠持續(xù)進(jìn)行。但是礦泉水中的水沒有進(jìn)入到燒杯中，說明氣壓依然不夠大，加上具支試管中仍有白色固體即碳酸鈉殘留，同樣說明反應(yīng)的速率太慢了在本次實(shí)驗(yàn)中，鹽酸已經(jīng)完全加入到具支試管中，反應(yīng)能夠持續(xù)進(jìn)行。但是礦泉水中的水進(jìn)入到燒杯中，但具支試管中仍有少量白色固體即碳酸氫鈉殘留，同樣說明反應(yīng)的速率太慢了，但是相比碳酸鈉跟鹽酸的反應(yīng)，明顯要快很多。實(shí)驗(yàn)反思經(jīng)過分析，我們小組一開始認(rèn)為可能是反應(yīng)裝置的氣密性存在問題。后來我們排除了這種可能性，既然碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)能夠產(chǎn)生氣體將礦泉水瓶中的水壓到燒杯中，說明該裝置的氣密性應(yīng)該不存

12、在問題。那么，考慮到具支試管中的碳酸鈉和碳酸氫鈉都沒有反應(yīng)完全，我們初步猜測，會(huì)不會(huì)是反應(yīng)物即鹽酸的濃度太低了呢？（3）第三次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)：之前的文獻(xiàn)查閱表明當(dāng)鹽酸的濃度超過1.8mol /L時(shí),碳酸鈉和碳酸氫鈉反應(yīng)同樣劇烈,無法比較。但是我們忽略了鹽酸的濃度超過1.8mol /L是針對碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液而言的。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，我們采用的是碳酸鈉和碳酸氫鈉固體，因此在這里鹽酸的濃度應(yīng)大大增加才可以觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在此，我們把鹽酸的濃度改為3mol/L，實(shí)驗(yàn)步驟與之前的實(shí)驗(yàn)一樣。 藥品項(xiàng)目碳酸鈉+鹽酸碳酸氫鈉+鹽酸實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象用注射器將鹽酸滴加到具支試管中后，在溶液中觀察到氣泡冒出，但是礦泉水

13、中的水沒有進(jìn)入到燒杯中。具支試管底部沒有白色固體殘留。用注射器將鹽酸滴加到具支試管中后，在溶液中觀察到氣泡冒出礦泉水中的水進(jìn)入到燒杯中。具支試管底部沒有白色固體殘留（與碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的時(shí)間相同）?，F(xiàn)象解釋鹽酸的濃度增加后，碳酸鈉完全溶解了，說明鹽酸的濃度大小對于實(shí)驗(yàn)是否成功有著較大的影響，但是氣體依然沒有把礦泉水瓶中的水壓入燒杯中，說明氣壓不夠。鹽酸的濃度增加后，碳酸氫鈉完全溶解了，說明鹽酸的濃度大小對于實(shí)驗(yàn)是否成功有著較大的影響，而且產(chǎn)生的氣體足夠把礦泉水瓶中的水壓入燒杯中，說明氣壓足夠?qū)嶒?yàn)反思本次實(shí)驗(yàn)通過增加鹽酸的濃度，加快了反應(yīng)的速率，初步證明了猜想的正確性。但是，由于碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)

14、的速度較慢，產(chǎn)生氣體的速度較慢，因此不能觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。接下來我們小組將會(huì)在反應(yīng)物濃度方面對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。（4）第四次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)之處：從第三次實(shí)驗(yàn)中我們分析得知：碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)后礦泉水瓶中的水沒有進(jìn)入燒杯中是由于產(chǎn)生的氣體速度過慢，氣壓不夠所導(dǎo)致的。因此，在本實(shí)驗(yàn)中我們將碳酸鈉和碳酸氫鈉的用量均加倍為即0.2mol，鹽酸的濃度為6mol/L。 藥品項(xiàng)目碳酸鈉+鹽酸碳酸氫鈉+鹽酸實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象用注射器將鹽酸滴加到具支試管中后，在溶液中觀察到氣泡冒出礦泉水中的水進(jìn)入到燒杯中。具支試管底部沒有白色固體殘留。用注射器將鹽酸滴加到具支試管中后，在溶液中觀察到氣泡冒出礦泉水中的水進(jìn)入到燒杯中。具支試管底部

15、沒有白色固體殘留（與碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)的時(shí)間相同）。現(xiàn)象解釋鹽酸的濃度增加后，碳酸氫鈉和碳酸鈉完全溶解了，說明鹽酸的濃度大小對于實(shí)驗(yàn)是否成功有著較大的影響，而且產(chǎn)生的氣體足夠把礦泉水瓶中的水壓入燒杯中，說明氣壓足夠。實(shí)驗(yàn)反思實(shí)驗(yàn)最后取得了成功，從實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的過程中我們可以看出，反應(yīng)物的用量多少及濃度大小對實(shí)驗(yàn)成功與否有很大的影響，做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候應(yīng)該考慮全面，細(xì)心，同時(shí)也說明實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)也是一個(gè)逐步探究的過程。 圖1碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 圖2 碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象五、 相關(guān)問題探討1、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)藥品用量：NaHCO3 ：1.6g Na2CO3：2.0g HCl（6mol/L）：1

16、0mL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

17、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)

18、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、 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

19、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、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1