張立惠 賈衛(wèi)國 后勇軍 孫影

摘要：針對苯酚和碳酸鈉反應(yīng)實驗過程中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，通過設(shè)計對比實驗，運用紫外分光光度計檢驗反應(yīng)產(chǎn)物，提供證據(jù)支持，詳細分析并闡釋苯酚與碳酸鈉溶液反應(yīng)過程中產(chǎn)生二氧化碳的原因。

關(guān)鍵詞：苯酚;碳酸鈉;數(shù)字化實驗;紫外光譜

文章編號：1008-0546（2022）05-0095-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.05.021

一、問題的提出

人教版高中化學教材（2019版）[1]中介紹了苯酚和碳酸鈉溶液反應(yīng)生成苯酚鈉和碳酸氫鈉，而在實驗過程中，筆者采用CO2傳感器測量密閉體系內(nèi)碳酸鈉溶液和苯酚溶液混合之后CO2含量的變化，一段時間后發(fā)現(xiàn) CO2的含量增加。為什么會出現(xiàn)“CO2含量增加”的異常現(xiàn)象？已有文獻對該問題的研究較少，多集中在通過平衡常數(shù)的計算，從理論上進行分析和討論說明苯酚和碳酸鈉反應(yīng)只能生成苯酚鈉而不能產(chǎn)生CO2[2-3]。為探究實驗結(jié)果與理論相違背的原因，本研究利用數(shù)字化實驗與現(xiàn)代儀器分析技術(shù)，對實驗現(xiàn)象進行詳細的原理分析及證據(jù)推理，以期幫助學生克服認知困難，并對中學化學教學提出建議。

二、實驗過程

1.實驗?zāi)康?/p>

從理論上分析，苯酚與碳酸鈉溶液反應(yīng)生成碳酸氫鈉與苯酚鈉，但在實驗過程中，卻檢測出大量的二氧化碳氣體產(chǎn)生。本研究使用Vernier無線 CO2傳感器，對苯酚與碳酸鈉混合溶液中的CO2含量進行測定。

2.實驗儀器與試劑

Vernier無線 CO2傳感器、恒溫油浴鍋（含攪拌功能）、電腦及配套軟件（Vernier Graphical Analysis）、錐形瓶（250 mL）、量筒（50 mL）、磁子、0.5 mol/L碳酸鈉溶液、0.5 mol/L苯酚溶液

3.實驗裝置

見圖1。

4.實驗步驟

（1）檢查裝置氣密性：向錐形瓶中通入適量CO2氣體，將CO2傳感器插入錐形瓶，觀察CO2測定含量示數(shù)是否穩(wěn)定，若不穩(wěn)定則需要對瓶口磨口部分進行進一步處理，示數(shù)穩(wěn)定后方可進行實驗;

（2）分別取0.5 mol/L碳酸鈉溶液、0.5 mol/L 苯酚溶液各20 mL置于同一錐形瓶（250 mL）中，迅速插入 CO2傳感器，置于30℃油浴鍋中;

（3）啟動磁力攪拌功能，點擊數(shù)據(jù)采集按鈕，待曲線趨于穩(wěn)定時停止采集，重復(fù)實驗3次，以取得最佳實驗曲線。

（4）以相同實驗步驟測定20 mL 0.5 mol/L碳酸鈉溶液與20 mL水混合時CO2含量。

5.實驗結(jié)果與分析

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，0.5 mol/L碳酸鈉溶液與0.5 mol/L苯酚溶液反應(yīng)時，測定體系CO2含量持續(xù)緩慢上升;將 20 mL苯酚替換為20 mL水后，測定體系 CO2含量持續(xù)下降，且下降速率較快直至趨于穩(wěn)定。

碳酸鈉溶液能夠與二氧化碳和水反應(yīng)生成碳酸氫鈉，反應(yīng)的方程式為： Na2CO3+H2O+CO2=2NaHCO3。故在密閉體系中將碳酸鈉與水混合后，體系的二氧化碳的含量會持續(xù)下降至一定數(shù)值。根據(jù)酸堿質(zhì)子理論，酸堿反應(yīng)是爭奪質(zhì)子的過程。爭奪質(zhì)子的結(jié)果總是強堿奪取了強酸給出的質(zhì)子而轉(zhuǎn)化為它的共軛酸——弱酸;強酸則給出質(zhì)子轉(zhuǎn)化為它的共軛堿——弱堿?？傊?，酸堿反應(yīng)主要是由強酸與強堿向生成相應(yīng)的弱堿和弱酸的方向進行[4]。通過查閱資料[5]可得水溶液中苯酚、碳酸的Ka值分別為：

由pKa=-lgKa 可知，Ka（H2CO3）>Ka（C6H6OH）> Ka（HCO-3），即酸性相對強弱順序為H2CO3>C6H6OH> HCO-3。根據(jù)強酸與弱酸鹽反應(yīng)得到對應(yīng)的強酸鹽和弱酸，苯酚能使 HCO-3從可溶性的碳酸鈉水溶液中游離出來，但不能使H2CO3從可溶性的酸式碳酸鹽NaH? CO3中游離出來[6]。

①-③得：

△G=-RTlnK<0，故苯酚和碳酸鈉的反應(yīng)可以發(fā)生。

①-②得：

△G=-RTlnK>0，故苯酚與碳酸氫鈉不能反應(yīng)。

因此，苯酚與碳酸鈉反應(yīng)只能生成碳酸氫鈉而幾乎無法與碳酸氫鈉進一步反應(yīng)。

6.對實驗異?，F(xiàn)象的解釋探究

通過理論分析可以得出結(jié)論，苯酚與碳酸鈉反應(yīng)產(chǎn)物不可能產(chǎn)生 CO2，而實驗測定碳酸鈉溶液與苯酚溶液反應(yīng)體系CO2含量確實有所升高，對此提出猜想：是否是碳酸氫鈉的分解導(dǎo)致體系CO2含量的升高？基 于此，利用無線CO2傳感器測定碳酸氫鈉溶液和苯酚共體系及理論計算濃度下碳酸氫鈉溶液單體系的CO2 含量變化，結(jié)果如圖3所示：

通過圖3可以發(fā)現(xiàn)，盡管理論上碳酸氫鈉溶液和苯酚溶液并不會反應(yīng)，但實驗測得相同溫度下，碳酸氫鈉溶液與苯酚溶液共體系下CO2含量比碳酸氫鈉溶液單體系的CO2含量更高。為了進一步探究苯酚與碳酸氫鈉是否真的發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生少量 CO2。為此，本實驗采用紫外分光光度計來監(jiān)測苯酚與碳酸氫鈉體系，測定反應(yīng)前后苯酚含量的變化，并將其與苯酚與碳酸鈉進行對比，結(jié)果如圖4所示：

查閱文獻可知，苯酚的最大吸收波長為270 nm[7]，由圖4可知，苯酚與碳酸氫鈉混合之后的溶液與苯酚溶液的紫外吸收光譜均在270 nm 出現(xiàn)了峰值且基本重合，苯酚的量幾乎沒有減少，說明苯酚幾乎未與碳酸氫鈉發(fā)生反應(yīng)。而苯酚與碳酸鈉混合之后的溶液紫外吸收光譜發(fā)生了紅移，這是由于苯酚與碳酸鈉反應(yīng)過程中，生成的苯酚負離子，由于其與苯環(huán)的共軛增強，使其紫外吸收發(fā)生了紅移，由此說明了苯酚和碳酸鈉發(fā)生反應(yīng)生成了苯酚鈉。

Na2CO3溶液與苯酚反應(yīng)生成 NaHCO3和苯酚鈉， NaHCO3溶液從室溫升高到30℃，有利于反應(yīng)④、⑤、⑥平衡右移，CO2濃度升高。

在 NaHCO3+ 苯酚的體系中存在可逆反應(yīng)⑦，由于該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=2.62×10-4，宏觀上可以認為苯酚與 NaHCO3不反應(yīng)，但該反應(yīng)在實驗條件下可以很快建立平衡，所以，有少量 H2CO3生成，從而有少量 CO2氣體放出，通過傳感器檢出。

為此，本研究繼續(xù)探究了不同pKa 的有機物是否會對碳酸氫鈉的分解產(chǎn)生影響。研究選取幾種均不與碳酸氫鈉反應(yīng)且 pKa 各不相同的有機物（間氯苯酚、苯酚、2，6-二甲基苯酚、乙二醇），并將上述有機物分別與碳酸氫鈉溶液混合后，測定體系內(nèi)二氧化碳含量的變化。

由圖5可以看出，在30℃條件下，20 mL 0.5 mol/L 的上述幾種有機物分別與相同體積、相同濃度的碳酸氫鈉溶液混合后，測定體系內(nèi)CO2含量的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有機物pKa值越大，碳酸氫鈉分解產(chǎn)生的CO2越少。因此，在相同溫度下碳酸氫鈉溶液與苯酚溶液共體系產(chǎn)生的CO2比單獨碳酸氫鈉溶液產(chǎn)生的CO2含量更高。

三、實驗結(jié)論與啟示

1.實驗結(jié)論

碳酸鈉溶液與苯酚發(fā)生反應(yīng)，生成了苯酚鈉和碳酸氫鈉。數(shù)字化實驗中檢測到的二氧化碳，來源于反應(yīng)產(chǎn)物碳酸氫鈉的分解，且苯酚體系對碳酸氫鈉分解有促進作用。曲線表征為學生深刻理解苯酚與碳酸鈉溶液的反應(yīng)提供了強有力的證據(jù)支持。同時運用現(xiàn)代技術(shù)，如紫外光譜的吸收峰再一次佐證了苯酚與碳酸鈉溶液反應(yīng)生成了碳酸氫鈉的結(jié)論。

2.實驗啟示

本研究利用CO2傳感器多角度逐步探究苯酚與碳酸鈉的反應(yīng)，以“發(fā)現(xiàn)問題-解決問題-發(fā)現(xiàn)新問題-解決新問題”的探究進程，促進學生對化學反應(yīng)異?，F(xiàn)象的深度研究。利用現(xiàn)代實驗測試技術(shù)為化學反應(yīng)提供強有力的證據(jù)，回應(yīng)并澄清了學生存在的疑惑，讓學生感受到化學技術(shù)進步的同時，引導(dǎo)學生基于證據(jù)進行推理，引發(fā)學生高階思維。

參考文獻

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書：化學（選擇性必修3）[M].北 京：人民教育出版社，2019：62.

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[3]季美娟.關(guān)于苯酚和碳酸鈉反應(yīng)的探討[J].化學教育，2007（3）：51.

[4]大連理工大學無機化學教研室.無機化學（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006：112.

[5]武漢大學.分析化學（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006：383-384.

[6]萬新軍，宋明友.苯酚溶于碳酸鈉嗎？[J].化學教育，1994（9）：37-38.

[7]麥麥提圖爾蓀·塔伊爾，亞森江·吾甫爾，買買提熱夏提·買買提，等.紫外吸收光譜法測定污染廢水中苯酚含量的研究[J].環(huán)境污染與防治，2015，37（2）：111.