肖中榮　周萍

摘要： 梳理文獻中碳酸鈉和鹽酸反應改進實驗的利弊，通過分析教材內容和學生認知心理，確定碳酸鈉和鹽酸反應的實驗改進價值在于使學生理解碳酸鈉和鹽酸反應是分步進行的，從而培養(yǎng)學生宏微結合、證據(jù)推理和變化觀念的學科素養(yǎng)。實驗改進的關鍵是控制碳酸鈉和鹽酸的濃度，避免鹽酸滴入碳酸鈉溶液時出現(xiàn)局部酸過量;呈現(xiàn)三個成功的改進實驗;在“碳酸鈉的性質與應用”新授課中以0.1mol/L HCl溶液和0.2mol/L Na2CO3溶液反應為例設計教學過程，探索指向知識意義功能的實驗教學行為，提出基于教學功能的實驗改進流程，充分發(fā)揮化學實驗的教學功能。

關鍵詞： 實驗改進; 碳酸鈉; 碳酸氫鈉; 鹽酸; 實驗探究

文章編號： 10056629（2019）10005404中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

碳酸鈉和鹽酸反應是碳酸鈉重要的化學性質，人教版[1]、蘇教版[2]均安排了演示實驗，“新課標”在必修課程保留了鈉、鐵、氯、氮、硫元素及其化合物知識。碳酸鈉和鹽酸反應的實驗改進一直是教師關注的熱點，碳酸鈉和鹽酸反應的教學功能是什么？如何基于教學功能改進碳酸鈉和鹽酸反應的實驗？本文就這些問題進行探究。

1 對文獻中改進實驗的綜述

在萬方數(shù)據(jù)庫以“碳酸鈉和鹽酸反應實驗改進”為主題詞進行搜索，查到十余篇相關文獻，分析發(fā)現(xiàn)實驗改進目的可分兩類： 第一類是證明“碳酸氫鈉與鹽酸反應速率快于碳酸鈉與鹽酸反應速率”，如設計新裝置，通過同時滴加鹽酸、觀察氣泡高度證明碳酸氫鈉與鹽酸反應速率快[3];通過數(shù)字傳感器測定相同時間內增加二氧化碳的濃度證明碳酸氫鈉與鹽酸反應速率快[4];將“取相同質量碳酸鈉和碳酸氫鈉”變成“取相同物質的量濃度碳酸鈉和碳酸氫鈉”證明碳酸氫鈉與鹽酸反應速率快[5]。第二類是探索“碳酸鈉與鹽酸反應的實驗目的”，如通過理論計算證明碳酸鈉和鹽酸反應分二步進行，對“碳酸氫鈉與鹽酸反應速率快于碳酸鈉與鹽酸反應速率”的原理提出質疑，但沒有設計具體的實驗方案[6]。

綜上所述，已有改進實驗存在如下“模糊現(xiàn)象”： 一是對碳酸鈉和鹽酸反應實驗的教學功能認識模糊，多數(shù)改進實驗是為了比較碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應速率快慢，裝置偏復雜;二是多數(shù)改進實驗對碳酸鈉、碳酸氫鈉和鹽酸反應的現(xiàn)象描述模糊，幾乎沒有確切地描述真實的反應現(xiàn)象。

2 實驗教學功能定位

教學功能是實驗改進的價值內核，如果教師對實驗教學功能認識模糊，實驗改進就會迷失方向，這是實驗教學值得警惕的問題。碳酸鈉與鹽酸反應實驗的教學價值究竟是什么？教材沒有明確說明。下面以蘇教版《化學1》為例分析碳酸鈉和鹽酸反應實驗的教學功能。

2.1 教材內容層級分析

從教材單元內容看，蘇教版《化學1》專題1是“化學家眼中的物質世界”，專題1在第二單元介紹了“研究物質的實驗方法”;專題2是“從海水中獲得化學物質”，專題2的第二單元介紹了“鈉鎂及其化合物”和“離子反應”;專題3是“從礦物質到基礎材料”。蘇教版《化學2》在專題2第一單元初步介紹了化學反應速率的概念及其影響因素，蘇教版《化學反應原理》在專題2第一單元從碰撞理論和過渡態(tài)理論介紹了化學反應速率的影響因素。

從教材課時內容看，專題2“從海水中獲得化學物質”的第二單元“鈉鎂及其化合物”“碳酸鈉的性質與應用”新授課安排了4個實驗： 實驗1澄清石灰水和碳酸鈉反應、氯化鈣溶液和碳酸鈉反應;實驗2按圖組裝儀器，將滴管中的濃鹽酸加入盛有碳酸鈉固體的廣口瓶;實驗3用pH試紙測碳酸鈉溶液的pH。

從單元教學內容安排看，學生在初中學習酸堿鹽的概念，熟悉復分解反應發(fā)生的條件，知道碳酸鈉能和鹽酸反應。學生通過高中《化學1》專題1中“研究物質的實驗方法”的學習，了解實驗是研究物質性質的重要手段，在學完“鈉鎂及其化合物”后即將學習“離子反應”。從課時教學內容安排看，教材呈現(xiàn)了碳酸鈉和酸堿鹽反應實驗，意在鞏固碳酸鈉具有弱酸正鹽的通性（碳酸鈉與鹽酸反應是支撐碳酸鈉和強酸反應的一個事實證據(jù)）。另外，高一新生認知心理仍然以形象思維和定性思維為主，尚不能通過抽象思維和定量思維認識化學反應，認識角度單一、認識水平膚淺。

2.2 實驗教學功能定位

知識結構由內向外分為知識的意義系統(tǒng)、知識的邏輯形式、知識的符號表征。知識的符號表征是表征、傳播知識的方式，知識的邏輯形式是指具體知識點在學科體系中的結構和功能，知識意義系統(tǒng)是指知識學習承載人類認識世界的思想方法、價值觀念和文化情趣等[7]。通過對教材內容和學生的認知能力分析，我們認為碳酸鈉和鹽酸反應的實驗教學價值應該設定如下：

[符號表征]學生掌握碳酸鈉和鹽酸分步反應的化學方程式：

[邏輯形式]學生以碳酸鈉為例理解二元弱酸的正鹽與強酸反應是分步反應，認識反應物的量不同可能導致產(chǎn)物不同，碳酸鈉和鹽酸反應的事實性知識為后續(xù)學習“離子反應”提供感性材料。

[意義系統(tǒng)]學生觀察宏觀實驗現(xiàn)象，想象微觀反應過程，通過觀察分析、對比歸納等思維活動提高認識化學反應的深度（從宏觀到微觀、從定性到定量），鞏固“實驗是研究化學反應的重要手段”的學科觀點。

簡言之，碳酸鈉和鹽酸反應的實驗教學功能在于使學生理解碳酸鈉和鹽酸反應是分步進行的，培養(yǎng)學生宏微結合、證據(jù)推理和變化觀念的學科核心素養(yǎng)。“反應速率概念及其影響因素”安排在蘇教版《化學2》和《化學反應原理》中，“反應速率屬于動力學概念，影響因素復雜，不能用最終放出CO2體積多少比較反應速率快慢”，應摒棄“比較碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應速率快慢”的不恰當教學目標[8]。

3 實驗改進關鍵問題控制

為了達成上述教學功能，我們希望理想的實驗現(xiàn)象為： 將鹽酸滴入碳酸鈉溶液開始無現(xiàn)象，隨著鹽酸滴加慢慢生成氣泡;將碳酸鈉滴入鹽酸立即生成氣泡。筆者按照蘇教版教材操作“將滴管中的濃鹽酸加入盛有碳酸鈉固體的廣口瓶立即產(chǎn)生氣泡”。文獻[9]也描述了“將2mol/L鹽酸慢慢滴入碳酸鈉固體立即產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象”。我們認為實驗的關鍵是控制碳酸鈉、鹽酸的濃度，若鹽酸濃度過大、碳酸鈉濃度過小，鹽酸滴入碳酸鈉溶液造成酸局部過量，產(chǎn)生氣泡，不利于學生理解鹽酸和碳酸鈉反應是分步進行的。因此，實驗改進的關鍵點是控制碳酸鈉和鹽酸的濃度，避免鹽酸滴入碳酸鈉溶液導致局部酸過量。

4 實驗改進方案探索

4.1 確定常量實驗濃度

分析化學根據(jù)被測組分含量多少分為常量分析（>1%）、微量分析（0.01%～1%）和痕量分析（<0.01%），中學化學實驗是在常量范圍的操作。根據(jù)常量分析含量估算試劑濃度： 碳酸鈉濃度應大于0.094mol/L，鹽酸濃度應大于0.2mol/L。我們在實驗中配制不小于0.1mol/L的試劑濃度，保證了現(xiàn)象的可靠性和重現(xiàn)性。

4.2 實驗改進方案探索

4.2.1 Ⅰ組 等濃度鹽酸和碳酸鈉溶液反應

準確配制0.1mol/L鹽酸和0.1mol/L Na2CO3溶液各20mL，用膠頭滴管取0.1mol/L鹽酸溶液逐滴加入盛有2mL 0.1mol/L Na2CO3溶液的試管中，溶液接觸處產(chǎn)生少量細小氣泡;將0.1mol/L Na2CO3溶液逐滴加入2mL 0.1mol/L鹽酸中，溶液接觸處也產(chǎn)生少量氣泡，互滴操作實驗現(xiàn)象幾乎無區(qū)別。將1mol/L鹽酸滴加到2mL 1mol/L Na2CO3溶液中立即產(chǎn)生大量氣泡，反過來，將上述濃度碳酸鈉溶液滴入鹽酸，也產(chǎn)生大量氣泡（上述實驗在滴加溶液時均不攪拌，下文同）。

[結論]將0.1mol/L鹽酸逐滴加入0.1mol/L Na2CO3溶液中立即生成氣泡，反過來，將上述濃度碳酸鈉溶液逐滴加入鹽酸中也立即產(chǎn)生氣泡，二者產(chǎn)生氣泡量區(qū)別不明顯。將1mol/L鹽酸和1mol/L碳酸鈉溶液互滴，均產(chǎn)生大量氣泡，現(xiàn)象也無明顯區(qū)別。濃度低且相等的鹽酸和碳酸鈉溶液反應很難出現(xiàn)“理想的實驗現(xiàn)象”，不利于教師演示或者學生分組實驗。

4.2.2 Ⅱ組 低濃度鹽酸和高濃度碳酸鈉溶液反應

準確配制0.1mol/L鹽酸和0.2mol/L Na2CO3溶液各20mL，用膠頭滴管取0.1mol/L鹽酸溶液逐滴加入盛有2mL 0.2mol/L Na2CO3溶液的試管中，鹽酸滴入溶液上層無現(xiàn)象，輕輕晃動試管也無現(xiàn)象，加了1滴管（約1mL，25滴，下同）鹽酸開始產(chǎn)生微量氣泡。反過來，將上述濃度的碳酸鈉溶液逐滴加入鹽酸中，立即產(chǎn)生微量氣泡，互滴操作實驗現(xiàn)象區(qū)別明顯。

將0.1mol/L鹽酸滴入2mL 0.5mol/L Na2CO3溶液無氣泡產(chǎn)生，加1滴管溶液也無氣泡產(chǎn)生，加了約3滴管鹽酸開始產(chǎn)生細小氣泡;反過來，將上述濃度碳酸鈉滴入鹽酸中，立即產(chǎn)生大量氣泡。

[結論]將0.1mol/L HCl溶液逐滴加入2mL 0.2mol/L Na2CO3溶液中，開始無氣泡生成，加入約1滴管溶液開始出現(xiàn)細小氣泡，此現(xiàn)象說明碳酸鈉和鹽酸的反應是分步進行的。若碳酸鈉濃度過大（大于0.5mol/L），需加大量0.1mol/L鹽酸才能產(chǎn)生氣體（試管溶液太多，不適合實驗演示）。將0.1mol/L HCl溶液逐滴加入2mL 0.2mol/L Na2CO3溶液中出現(xiàn)“理想的實驗現(xiàn)象”，本實驗操作取量合適、現(xiàn)象明顯，適合教師演示實驗和學生實驗。

4.2.3 Ⅲ組 等濃度的醋酸和碳酸鈉溶液反應

準確配制0.1mol/L醋酸和0.1mol/L Na2CO3溶液各20mL，用膠頭滴管取0.1mol/L醋酸溶液、逐滴加入盛有2mL 0.1mol/L Na2CO3溶液的試管中，開始無現(xiàn)象，加1滴管酸液后仍無現(xiàn)象。反過來，將上述濃度碳酸鈉逐滴加入醋酸溶液，產(chǎn)生少量的極細小氣泡，互滴操作實驗現(xiàn)象幾無區(qū)別。

將1mol/L醋酸滴加到2mL 1mol/L Na2CO3溶液中，酸液滴在溶液上部無明顯氣泡產(chǎn)生，當醋酸加了約1滴管開始產(chǎn)生氣泡。反過來，若將上述濃度的碳酸鈉溶液滴入醋酸溶液中，碳酸鈉液滴密度大沉入溶液底部，產(chǎn)生的氣泡慢慢浮出液面，互滴操作實驗現(xiàn)象區(qū)別明顯。

[結論]醋酸是弱電解質，電離出c（H+）小，是很好的“H+緩釋源”。等濃度的碳酸鈉溶液和醋酸溶液反應，局部低濃度H+和CO2-3結合生成HCO-3，促進醋酸電離產(chǎn)生H+，過量H+和HCO-3反應繼續(xù)生成碳酸產(chǎn)生氣泡。實驗發(fā)現(xiàn)，1mol/L Na2CO3溶液和1mol/L醋酸溶液互滴實驗現(xiàn)象直觀有趣、對比明顯，可以出現(xiàn)“理想的實驗現(xiàn)象”。

4.2.4 Ⅳ組 以硅酸鋁棉為載體設計鹽酸和碳酸鈉溶液反應

硅酸鋁棉的化學式為Al2SiO5，它是以硬質粘土熟料為原料，經(jīng)電阻或電弧爐熔融、噴吹成纖工藝生產(chǎn)而成（淘寶上可以購買）。硅酸鋁棉具有較強的吸附性，不與鹽酸或碳酸鈉反應。將硅酸鋁棉剪成10×15mm大小、5mm厚的小片，分別浸泡于0.1mol/L鹽酸和碳酸鈉溶液、0.5mol/L鹽酸和碳酸鈉溶液5分鐘，瀝干待用。

將浸有0.5mol/L鹽酸的硅酸鋁棉放入2mL 0.5mol/L Na2CO3溶液中，開始無明顯現(xiàn)象，30秒后可見硅酸鋁棉表面產(chǎn)生密集的細小氣泡。反過來，將浸有0.5mol/L碳酸鈉溶液的硅酸鋁棉放入2mL 0.5mol/L鹽酸溶液中，硅酸鋁棉表面立即產(chǎn)生大量氣泡。

[結論]硅酸鋁棉可以吸附H+或CO2-3，將浸有鹽酸的硅酸鋁棉置于碳酸鈉溶液中，硅酸鋁棉吸附的H+持續(xù)擴散至表面與溶液大量CO2-3分步反應，呈現(xiàn)“先無氣泡后產(chǎn)生氣泡”的現(xiàn)象。若將浸有碳酸鈉溶液的硅酸鋁棉置于鹽酸中，硅酸鋁棉吸附的CO2-3持續(xù)擴散至表面與溶液中大量H+反應生成二氧化碳，立即產(chǎn)生氣泡。實驗發(fā)現(xiàn)，硅酸鋁棉浸在濃度小于0.5mol/L鹽酸或碳酸鈉溶液中，實驗現(xiàn)象區(qū)別不明顯。而浸于0.5mol/L Na2CO3溶液和0.5mol/L鹽酸溶液的反向操作的實驗現(xiàn)象很明顯，可以出現(xiàn)“理想的實驗現(xiàn)象”。

5 基于實驗功能呈現(xiàn)的教學設計

綜上所述，實驗Ⅱ組中0.1mol/L HCl溶液和2mL 0.2mol/L Na2CO3溶液、實驗Ⅲ組中1mol/L Na2CO3溶液和1mol/L醋酸溶液、實驗Ⅳ組中浸有0.5mol/L鹽酸的硅酸鋁棉和0.5mol/L Na2CO3溶液的實驗操作均可出現(xiàn)“理想的實驗現(xiàn)象”。三個實驗要求的知識點不同，在教學中使用的時機也不同。實驗Ⅱ沒有涉及新知識，可以在“碳酸鈉的性質與應用”新授課中作為學生探究實驗（便于觀察實驗細微現(xiàn)象）;實驗Ⅳ用到硅酸鋁棉，可以在新授課后作為課外拓展實驗;實驗Ⅲ涉及醋酸的電離平衡移動，可以在講授“弱電解質的電離平衡”時呈現(xiàn)。以下是“碳酸鈉的性質與應用”新授課中基于實驗Ⅱ的教學過程。

問題1： 碳酸鈉和鹽酸發(fā)生反應嗎？若能，實驗現(xiàn)象是什么？

學生分小組實驗，自選用品完成碳酸鈉和鹽酸反應。（實驗用品： 0.1mol/L鹽酸、1mol/L鹽酸、0.2mol/L Na2CO3溶液和1mol/L Na2CO3溶液，試管、滴管若干）

問題2： 你觀察到哪些實驗現(xiàn)象？

問題3： 請寫出碳酸鈉和鹽酸反應的化學方程式。

問題4： 請預測碳酸氫鈉和鹽酸互滴的現(xiàn)象？

“問題1”引導學生回顧強酸能和弱酸鹽反應，預測碳酸鈉和鹽酸反應有氣泡。學生自選用品、自主操作可能會出現(xiàn)多種情況，如將0.1mol/L鹽酸滴入0.2mol/L Na2CO3溶液開始無氣泡、后有氣泡產(chǎn)生;將0.1mol/L鹽酸滴入1mol/L Na2CO3溶液可能一直無氣泡（和碳酸鈉取量有關）;將1mol/L鹽酸和0.2mol/L Na2CO3溶液或1mol/L Na2CO3溶液反應立即產(chǎn)生氣泡，互滴現(xiàn)象沒有區(qū)別?！皢栴}2”引導學生分享實驗現(xiàn)象，交流反常的實驗現(xiàn)象，學生自然要思考反應操作、反應用量和產(chǎn)物的關聯(lián)，通過“宏微結合、定量分析”的思維推演，建立碳酸鈉和鹽酸發(fā)生分步反應的觀點?！皢栴}3”引導學生將碎片化觀點進行梳理，形成“結構化”的知識圖式，深化對碳酸鈉和鹽酸反應的認識。“問題4”考察學生解釋變式問題的能力。上述教學設計不僅完成了碳酸鈉和鹽酸知識符號和邏輯體系教學，還發(fā)展了學生科學探究、證據(jù)推理、建模用模等核心素養(yǎng)，探索了指向知識意義功能的實驗教學行為。

6 基于教學功能的實驗改進流程

宋心琦先生認為，教材實驗分三個部分： 一是選擇的實驗對象，二是合理的實驗步驟和安全措施，三是必需的試劑、儀器裝置及合乎規(guī)范的操作技術。這些因素都可能影響實驗現(xiàn)象，因而實驗改進是化學教學最有創(chuàng)意的活動，而準確理解實驗教學功能是實驗改進的基礎。我們認為，實驗教學是知識教學的一部分，應該承擔知識教學的本體價值和素養(yǎng)發(fā)展價值，即要傳授知識的符號表征、建構知識的邏輯形式、體驗知識的意義系統(tǒng)。教師在理解實驗教學價值的基礎上再考慮實驗改進的原則（如科學性、直觀性、簡約性和安全性等），才可以發(fā)揮化學實驗的最大功效。基于教學功能的實驗改進流程如圖1所示。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出，化學實驗對于全面發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)有極為重要的作用，要充分認識化學實驗的獨特價值，精心設計實驗探究活動[10]。指向教學功能的實驗改進和教學設計是當下化學教學必須高度重視的問題，讓我們在思考中改進、在改進中教學！

參考文獻：

[1]人民教育出版社化學室. 全日制普通高級中學教科書·化學（第一冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2003： 49～51.

[2]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M]. 南京： 鳳凰出版?zhèn)髅郊瘓F， 2012： 51.

[3]孫玉彬. 兩則化學實驗的改進[J]. 教學儀器和實驗， 2000， （10）： 15～16.

[4]陳琛等. 數(shù)字化實驗在化學教學中的運用研究[J]. 合肥師范學院學報， 2018， （5）： 79～80.

[5]吳丹等. 對碳酸鈉、碳酸氫鈉和稀鹽酸反應實驗的商榷[J]. 化學教育， 2007， （11）： 54.

[6][8]王文林. 對Na2CO3、 NaHCO3和稀鹽酸反應實驗的認識[J]. 化學教學， 2005， （1～2）： 127～128.

[7]何銀華等. 證據(jù)推理， 化學高考試題評價的新視角[J]. 中學化學教學參考， 2018， （9）： 54.

[9]江敏. 有意思的化學 有意義的教學[M]. 西安： 陜西師范大學出版社， 2016： 3.

[10]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 72.