李蘇霖 龔正元

利用生活中的常見(jiàn)物品，結(jié)合毛細(xì)現(xiàn)象、虹吸現(xiàn)象與延時(shí)攝影技術(shù)，設(shè)計(jì)了NaCO、NaHCO與酸反應(yīng)的比較實(shí)驗(yàn)。用智能手機(jī)的延時(shí)攝影功能將1h的實(shí)驗(yàn)過(guò)程壓縮到34s，成功展現(xiàn)出NaCO溶液與酸反應(yīng)的分步現(xiàn)象，為教學(xué)提供了生動(dòng)的直觀材料。

延時(shí)攝影；碳酸鈉；碳酸氫鈉；分步反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)探究

NaCO與NaHCO性質(zhì)的比較一直是高中化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容之一，尤其是NaCO、NaHCO與酸反應(yīng)的比較。人教版高中化學(xué)必修第一冊(cè)在第二章第一節(jié)“鈉及其化合物”的“練習(xí)與應(yīng)用”模塊提到了NaCO與酸的分步反應(yīng)問(wèn)題；蘇教版高中化學(xué)必修第一冊(cè)則是在“碳酸鈉與碳酸氫鈉”這一課時(shí)中初步比較了兩者與酸反應(yīng)的速率差異，接著在專(zhuān)題3的綜合評(píng)價(jià)中具體描述了NaCO與酸的分步反應(yīng)機(jī)理。

在日常教學(xué)中，為了便于學(xué)生理解，教師們一直在探究通過(guò)直觀手段展現(xiàn)NaCO溶液與酸的分步反應(yīng)現(xiàn)象。伍強(qiáng)等設(shè)計(jì)了恒壓式實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)了NaCO溶液與鹽酸的互滴反應(yīng)，使用磁力攪拌器加速擴(kuò)散，防止酸局部濃度過(guò)大，并通過(guò)氣球放大了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。肖中榮等人則探究了濃度與酸性強(qiáng)弱對(duì)于NaCO溶液與酸反應(yīng)現(xiàn)象的影響，并提出了使用硅酸鋁棉作為溶液載體的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了酸進(jìn)入NaCO溶液的持續(xù)均勻擴(kuò)散，體現(xiàn)了較好的試驗(yàn)效果。陳秀娟等則使用醫(yī)用注射器與青霉素瓶子設(shè)計(jì)了微型實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)向同濃度的NaCO、NaHCO溶液中逐滴滴加低濃度鹽酸進(jìn)行對(duì)比研究。張磊等設(shè)計(jì)了全新的NaCO溶液與鹽酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，借助pH、CO濃度與壓力傳感器三個(gè)表征手段觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，展現(xiàn)分步反應(yīng)機(jī)理。

可見(jiàn)，要想充分展現(xiàn)出NaCO溶液與酸分步反應(yīng)的直觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需要滿足諸多條件：（1）溶液濃度較低；（2）溶液滴加速度必須緩慢；（3）加入后擴(kuò)散必須均勻且快速。在借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上，筆者采用延時(shí)攝影技術(shù)對(duì)NaCO、NaHCO與酸反應(yīng)的現(xiàn)象進(jìn)行觀察，效果十分明顯。

延時(shí)攝影又稱縮時(shí)攝影，是以一種將時(shí)間壓縮的拍攝技術(shù)，能夠在短時(shí)間內(nèi)展現(xiàn)生活中長(zhǎng)期才能觀察到的變化。在延時(shí)攝影視頻中，物體本身緩慢的變化過(guò)程被壓縮到較短的時(shí)間內(nèi)播放，往往能夠呈現(xiàn)出平日里用肉眼無(wú)法察覺(jué)的奇妙景象，富有沖擊力。延時(shí)攝影可以通過(guò)專(zhuān)業(yè)的攝影設(shè)備實(shí)現(xiàn)，同時(shí)隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能手機(jī)大多也自帶延時(shí)攝影功能。李娟等利用智能手機(jī)的延時(shí)攝影功能觀察鐵置換銅實(shí)驗(yàn)，將48小時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象“加速”到1.6分鐘，為學(xué)生提供了更豐富的直觀體驗(yàn)，取得滿意的教學(xué)效果?？梢?jiàn)，延時(shí)攝影技術(shù)在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)有著很高的應(yīng)用價(jià)值。

在窄小的毛細(xì)管中，液體會(huì)形成彎曲的表面，由于表面張力的作用，凹液面會(huì)對(duì)下面的液體施以拉力，凸液面則會(huì)對(duì)下面的液體施以壓力。當(dāng)毛細(xì)管插入到浸潤(rùn)液體中，液面是凹液面，管內(nèi)液面會(huì)上升；反之，當(dāng)毛細(xì)管插入到不浸潤(rùn)液體中，管內(nèi)液面會(huì)下降。這就是毛細(xì)現(xiàn)象。生活中存在著很多毛細(xì)現(xiàn)象的例子，例如：植物根莖從土壤中吸水、毛巾和棉線吸水等。這是因?yàn)槊?、棉線等物體中存在著許多細(xì)小的縫隙，這些縫隙起到了毛細(xì)管的作用，從而實(shí)現(xiàn)了吸水的目的。

虹吸現(xiàn)象的出現(xiàn)根本原因在于壓強(qiáng)差，是液態(tài)分子間引力與位能差所造成的，即利用水柱壓力差，使水上升后再流到低處。由于灌滿水的虹吸管來(lái)水端水位高，壓強(qiáng)大，而出水端水位低，壓強(qiáng)小，因此能夠源源不斷地將水從高水位運(yùn)輸?shù)降退?，直到兩?cè)的水位達(dá)到同一高度才會(huì)停止流動(dòng)。

運(yùn)用常見(jiàn)的生活用品，結(jié)合智能手機(jī)設(shè)計(jì)出成本低廉、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象直觀的 NaCO溶液、NaHCO溶液與酸反應(yīng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，從而為教學(xué)提供生動(dòng)的直觀材料，幫助學(xué)生理解兩種鹽溶液與酸反應(yīng)的本質(zhì)。

NaCO溶液與酸反應(yīng)的分步現(xiàn)象之所以難以實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)槿藶榈牟僮骱茈y做到將酸極為緩慢地加入到 NaCO溶液中并快速均勻擴(kuò)散，導(dǎo)致酸滴入后的局部濃度過(guò)大。筆者利用棉線的毛細(xì)現(xiàn)象結(jié)合虹吸現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)溶液的主動(dòng)、定向、緩慢傳輸，而此時(shí)棉線的長(zhǎng)度、粗細(xì)必定會(huì)影響傳輸速率，因此需要使用相同長(zhǎng)度和粗細(xì)的棉線作為傳輸裝置，同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)入溶液中酸的快速均勻擴(kuò)散，選擇使用磁力攪拌器進(jìn)行連續(xù)攪拌。但是這一實(shí)驗(yàn)過(guò)程必然耗時(shí)較長(zhǎng)，從而帶來(lái)現(xiàn)象觀察困難的問(wèn)題。因此，為了克服這一困難，筆者結(jié)合智能手機(jī)自帶的延時(shí)攝影功能“加快”反應(yīng)速率，拍攝實(shí)驗(yàn)視頻，做到在短時(shí)間內(nèi)對(duì)比觀察NaCO溶液、NaHCO溶液與酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)儀器：圓形塑料盒（5 mL）、棉線、瓶蓋、磁子、磁力攪拌器、滴管

攝影設(shè)備：白紙、補(bǔ)光燈、升降臺(tái)、iPhone 6s Plus手機(jī)

實(shí)驗(yàn)藥品：0.2 mol/L NaCO溶液、0.2 mol/L NaHCO溶液、0.2 mol/L 鹽酸、酚酞指示劑

運(yùn)用常見(jiàn)的生活用品，設(shè)計(jì)了如下圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置。在圓形塑料盒之間使用塑料瓶蓋造成高度差并用棉線將塑料盒相連接，引發(fā)毛細(xì)現(xiàn)象與虹吸現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)溶液的定向、緩慢傳輸。另外，在反應(yīng)容器中放入磁子進(jìn)行磁力攪拌，避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)局部濃度過(guò)大的問(wèn)題。與此同時(shí)，結(jié)合智能手機(jī)、補(bǔ)光燈等拍攝設(shè)備設(shè)計(jì)了如下圖2所示的拍攝裝置。

（1）用蒸餾水將三個(gè)相同大小的塑料盒洗凈晾干。將其中一個(gè)塑料盒擺放在塑料瓶蓋上，剩余兩個(gè)擺放于周?chē)纬扇鐖D1所示的正三角形并將整個(gè)裝置放置于磁力攪拌器上，在底部鋪上一層白紙作為背景。

（2）取四根長(zhǎng)度相同的棉線，提前在0.2 mol/L 鹽酸中浸泡2～3 min。將每?jī)筛蘧€并列簡(jiǎn)單纏繞，尾端微微分叉，做出兩個(gè)溶液傳輸裝置，在棉線相同的位置對(duì)棉線進(jìn)行折疊用于接觸溶液，從而盡量保證溶液傳輸速率相近。如下圖3所示：

（3）用滴管吸取溶液，向擺放在瓶蓋上的塑料盒中加入0.2 mol/L鹽酸，向另外兩個(gè)塑料盒中分別加入相同體積都為1.5 mL的0.2 mol/L NaCO溶液與0.2 mol/L NaHCO溶液，并滴入1～2滴酚酞指示劑。將（2）中制作出的棉線傳輸裝置放入塑料盒中，浸入溶液，并在盒中各放入一個(gè)磁子。如下圖4所示：

（4）將iPhone 6s Plus手機(jī)放置于升降臺(tái)上并升至合適高度，調(diào)整補(bǔ)光燈光線，打開(kāi)磁力攪拌器并調(diào)整至合適的攪拌速度，開(kāi)啟手機(jī)自帶的延時(shí)攝影功能對(duì)1h的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行拍攝，最終得到34s的實(shí)驗(yàn)視頻。

延時(shí)攝影技術(shù)將1h的實(shí)驗(yàn)過(guò)程壓縮到了34s，從而放大了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓我們能夠在短時(shí)間內(nèi)看到快速連續(xù)的變化，便于對(duì)比觀察NaCO溶液、NaHCO溶液與鹽酸反應(yīng)現(xiàn)象異同。通過(guò)觀看視頻可知，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象具體經(jīng)歷了如下表1中的四個(gè)過(guò)程：

（1）使用生活用品，降低實(shí)驗(yàn)成本。在實(shí)驗(yàn)中使用了棉線、塑料盒等生活用品替代實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)裝置，成本低廉且操作簡(jiǎn)單。

（2）結(jié)合信息技術(shù)，利用毛細(xì)現(xiàn)象與虹吸現(xiàn)象運(yùn)輸溶液，做到“慢”，同時(shí)運(yùn)用智能手機(jī)的延時(shí)攝影功能，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的展示變“快”。兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)了NaCO與酸的兩步反應(yīng)的可視化，加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀沖擊力。

綜上所述，該實(shí)驗(yàn)為NaCO、NaHCO與酸反應(yīng)的教學(xué)提供了生動(dòng)的直觀材料，有利于引導(dǎo)學(xué)生在現(xiàn)象中尋找證據(jù)，并根據(jù)證據(jù)進(jìn)行推理分析，從而獲得知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生觀察思考、證據(jù)推理、類(lèi)比聯(lián)想等思維能力。但是該實(shí)驗(yàn)還存在些許不足，因?yàn)槭褂妹蘧€進(jìn)行溶液的運(yùn)輸，所以很難做到十分準(zhǔn)確的定量研究，仍需要進(jìn)一步改進(jìn)完善！

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