周文榮++錢麗

摘要：利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，采用氣壓、二氧化碳濃度、溫度、pH四種傳感器分別測(cè)量氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)過(guò)程中四者的變化，減少多次重復(fù)操作，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作步驟，節(jié)約實(shí)驗(yàn)藥品，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的綠色化及反應(yīng)過(guò)程中氣壓、二氧化碳濃度、溫度三者的同步變化，拓展探究“無(wú)明顯現(xiàn)象的反應(yīng)”的多維視角，體現(xiàn)初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代、從靜態(tài)走向動(dòng)態(tài)、從定性走向定量的走向。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；綠色化；同步變化；多維視角

文章編號(hào)：1008-0546（2017）07-0096-02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.030

氫氧化鈉和二氧化碳的反應(yīng)是初中化學(xué)非常重要的一個(gè)反應(yīng)，滬教版的初中化學(xué)教材中并未編寫相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來(lái)探究該反應(yīng)的發(fā)生。很多一線化學(xué)教師進(jìn)行了大量的研究，例如檢驗(yàn)產(chǎn)物碳酸鈉法、噴泉法、瓶子或氣球變癟法、瓶吞雞蛋法等，給我們提供了很好的學(xué)習(xí)和借鑒的機(jī)會(huì)，但這些研究主要指向于對(duì)產(chǎn)物碳酸鈉的檢驗(yàn)以及氣體壓強(qiáng)的變化，在不同反應(yīng)物濃度的變化、反應(yīng)能量的變化方面還存在很大的探究空間。本實(shí)驗(yàn)采用氣壓、二氧化碳濃度、溫度、pH四種傳感器分別測(cè)量氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)過(guò)程中四者的變化，從多個(gè)視角來(lái)探究該反應(yīng)的發(fā)生。

一、儀器藥品

1. 儀器

實(shí)驗(yàn)一：

分液漏斗、錐形瓶、導(dǎo)管、橡皮塞、四頸燒瓶（如圖1）及配套橡膠塞、注射器（60mL）、氣壓傳感器、二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦

實(shí)驗(yàn)二：

分液漏斗、錐形瓶、導(dǎo)管、橡皮塞、燒杯、pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦

2. 藥品：氫氧化鈉溶液、石灰石、稀鹽酸

二、實(shí)驗(yàn)裝置圖

三、實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)一：

二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)使四頸燒瓶?jī)?nèi)二氧化碳?xì)怏w濃度不斷減小，氣壓逐漸變小，溫度逐漸升高。通過(guò)二氧化碳濃度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器同時(shí)采集數(shù)據(jù)繪制成三條變化曲線。再通過(guò)對(duì)比二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)、二氧化碳與水反應(yīng)三條曲線的變化趨勢(shì)得出結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)二：

二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)使得氫氧化鈉濃度不斷減小，通過(guò)pH傳感器采集數(shù)據(jù)繪制成pH變化曲線。通過(guò)分析pH曲線變化趨勢(shì)得出結(jié)論。

四、操作要點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)一：

1. 清洗傳感器并進(jìn)行校準(zhǔn)。

2. 在四頸燒瓶中收集滿二氧化碳，將裝有50mL濃氫氧化鈉溶液的注射器、二氧化碳濃度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器分別與四頸燒瓶相連，同時(shí)將傳感器、采集器、電腦連接好，設(shè)置好采集頻率、采集時(shí)間。

3. 將氫氧化鈉溶液全部推入四頸燒瓶中，點(diǎn)擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

4. 將注射器中的氫氧化鈉溶液換成等量的水重復(fù)上面的操作。

實(shí)驗(yàn)二：

1. 清洗傳感器并進(jìn)行校準(zhǔn)。

2. 在錐形瓶和分液漏斗中加適量大理石和稀鹽酸，將pH傳感器、裝有氫氧化鈉溶液的錐形瓶、數(shù)據(jù)采集器及電腦連接好，設(shè)置好采集頻率、采集時(shí)間。

3. 打開分液漏斗活塞，把稀鹽酸滴入錐形瓶中，點(diǎn)擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

說(shuō)明：基于初中學(xué)生的已有基礎(chǔ)，同時(shí)考慮到在課上演示的實(shí)驗(yàn)效果，本實(shí)驗(yàn)使用pH在12-13之間的氫氧化鈉溶液。

五、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

1. 實(shí)驗(yàn)一（如圖4）由二氧化碳濃度傳感器、氣壓傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷下降的趨勢(shì)，且二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)比二氧化碳與水反應(yīng)變化更明顯；由溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷上升的趨勢(shì)，且二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)比二氧化碳與水反應(yīng)變化更明顯。上述兩個(gè)現(xiàn)象從反應(yīng)物二氧化碳濃度的減少及能量變化的視角說(shuō)明了二氧化碳和氫氧化鈉發(fā)生了反應(yīng)，而不僅僅是與水發(fā)生了反應(yīng)。（說(shuō)明：目前中學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用的各種品牌的二氧化碳傳感器量程最大為100000ppm，所以一開始二氧化碳濃度和時(shí)間曲線看似沒有變化，實(shí)際上也是呈不斷下降趨勢(shì)的。）

2. 實(shí)驗(yàn)二（如圖5）由pH傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷下降的趨勢(shì)。此現(xiàn)象從另一個(gè)反應(yīng)物氫氧化鈉中氫氧根離子濃度減少的視角說(shuō)明了二氧化碳和氫氧化鈉發(fā)生了反應(yīng)。

六、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處

1. 改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的綠色化

四頸燒瓶的使用，通過(guò)一次實(shí)驗(yàn)完成了氣壓、二氧化碳濃度、溫度三者變化的測(cè)定，減少了用抽濾瓶、三頸燒瓶作為反應(yīng)裝置時(shí)的多次重復(fù)操作，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作步驟，節(jié)約了藥品，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的綠色化。

2. 實(shí)現(xiàn)了觀察氣壓、二氧化碳濃度、溫度同步變化

用抽濾瓶作為反應(yīng)裝置時(shí)，只能單一地觀察到氣壓、二氧化碳濃度、溫度某一方面的變化，通過(guò)此實(shí)驗(yàn)一的裝置，可以清晰地觀察到反應(yīng)過(guò)程中氣壓、二氧化碳濃度、溫度三者的同步變化。

3. 拓展了探究“無(wú)明顯現(xiàn)象的反應(yīng)”的視角

一線教師已有的研究主要集中在對(duì)產(chǎn)物碳酸鈉的檢驗(yàn)以及氣體壓強(qiáng)的視角上，本實(shí)驗(yàn)從不同的反應(yīng)物（二氧化碳、氫氧化鈉）以及反應(yīng)物濃度（二氧化碳濃度、氫氧根離子的濃度）、化學(xué)反應(yīng)能量的視角進(jìn)行了拓展，完善了從反應(yīng)物的減少、生成物的產(chǎn)生、反應(yīng)能量的變化來(lái)探究“無(wú)明顯現(xiàn)象的反應(yīng)”的多維視角。

4. 體現(xiàn)了初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的三個(gè)走向

通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，體現(xiàn)了初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代；通過(guò)電腦曲線隨時(shí)間的不斷變化，體現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)從靜態(tài)走向動(dòng)態(tài)；通過(guò)從開始到結(jié)束，數(shù)據(jù)的不斷變化，體現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)從定性走向定量。

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