呂善榮

摘要：在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上再次對實(shí)驗(yàn)作改進(jìn)。通過向充滿二氧化碳的試管中注入飽和碳酸鈉溶液，并用水作空白實(shí)驗(yàn)，利用二氧化碳傳感器和pH傳感器對反應(yīng)后析出的晶體進(jìn)行定性及定量分析。實(shí)驗(yàn)證明：飽和碳酸鈉在常溫下與二氧化碳反應(yīng)后析出晶體的主要成分是碳酸氫鈉。認(rèn)為只要控制好反應(yīng)條件，本實(shí)驗(yàn)容易取得成功。

關(guān)鍵詞：飽和碳酸鈉溶液;二氧化碳;碳酸氫鈉;聯(lián)合制堿法;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)：1005-6629（2021）04-0066-04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1問題提出的背景

碳酸鈉與二氧化碳的反應(yīng)是上海市現(xiàn)行高三拓展教材第5章“非金屬元素”中“一些非金屬化合物”的課堂實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)水平是B級(jí)。教材還安排了碳酸氫鈉與碳酸鈉的熱穩(wěn)定性比較實(shí)驗(yàn)，之后又學(xué)習(xí)聯(lián)合制堿法。通過碳酸氫鈉與碳酸鈉的相互轉(zhuǎn)化分析，引導(dǎo)學(xué)生歸納正鹽與酸式鹽之間轉(zhuǎn)化的一般規(guī)律，學(xué)會(huì)從個(gè)別到一般的演繹推理方法。同時(shí)為學(xué)習(xí)純堿工業(yè)制法儲(chǔ)備必要的知識(shí)。

在實(shí)際課堂教學(xué)中不少教師反映，將二氧化碳通人飽和碳酸鈉溶液中，雖經(jīng)較長時(shí)間，但該實(shí)驗(yàn)仍很難做成功，為此許多老師作了不少探索。

劉懷樂等撰文指出，為了克服把CO₂通入飽和Na₂CO₃溶液因?yàn)樯呻y以回避的Na₂CO₃·10H₂O晶體會(huì)錯(cuò)以為是NaHCO₃，建議用飽和食鹽水稀釋飽和碳酸鈉溶液，在飽和Na₂CO₃稀溶液中加入少量酒精。

夏立先撰文認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵：一是通入的CO₂氣流要大且連續(xù);二是通入CO₂氣體的導(dǎo)管要插到試管底部，以增加CO₂氣體與飽和碳酸鈉溶液的接觸時(shí)間。

周存軍通過探究雪碧與碳酸鈉的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：取一瓶600mL的雪碧，倒出約三分之二，再向瓶中迅速加入5～6g碳酸鈉粉末，蓋好瓶塞、搖勻，約2分鐘后，雪碧瓶癟，有白色晶體析出;溶液pH由3.29上升為9.0，由此推斷析出晶體為碳酸氫鈉。

伍強(qiáng)撰文討論了通過控制反應(yīng)條件及反應(yīng)物用量，對向飽和碳酸鈉溶液中通入二氧化碳?xì)怏w和向盛有二氧化碳?xì)怏w的容器中注入飽和碳酸鈉溶液分別作了實(shí)驗(yàn)探究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在盛有二氧化碳?xì)怏w的礦泉水瓶中注入適量的飽和碳酸鈉溶液，易析出碳酸氫鈉晶體。

在上述有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上本文重新設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)并作再次改進(jìn)。在兩支集滿二氧化碳的大試管中，同時(shí)分別用注射器注入10mL飽和碳酸鈉溶液和蒸餾水，用氣體壓強(qiáng)傳感器監(jiān)測反應(yīng)過程中的氣壓變化，實(shí)驗(yàn)中采用室溫水浴以免外界溫度對試管內(nèi)氣壓的影響。然后就實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物進(jìn)行過濾、晾干得到的固體，再利用二氧化碳傳感器和pH傳感器對反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行定性和定量分析。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，飽和碳酸鈉溶液與二氧化碳反應(yīng)后析出晶體中的主要成分是碳酸氫鈉。

2實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：Vernier數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)（安裝LoggerPro軟件）、Vernier氣體壓強(qiáng)傳感器（包括20mL注射器和魯爾閥）、Vernier不銹鋼溫度傳感器、Vernier二氧化碳傳感器、Vernier滴數(shù)傳感器、Vernier磁力攪拌器、電子天平（0.0001g）、大試管（30mm×200mm）、大燒杯（1000mL）等

實(shí)驗(yàn)試劑：飽和Na₂CO₃溶液、無水Na₂CO₃晶體、1：4稀硫酸、蒸餾水、自來水等

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

3實(shí)驗(yàn)操作步驟

（1）用無水Na₂CO₃晶體與1：4的稀硫酸反應(yīng)制取CO₂，并收集于兩支大試管中，塞上橡皮塞，備用。

（2）取兩支注射器，分別吸取10mL飽和碳酸鈉溶液和10mL蒸餾水。

（3）如圖1裝配裝置。

（4）開啟LoggerPro軟件，點(diǎn)擊采集按鈕開始采集數(shù)據(jù);將兩支注射器中的飽和碳酸鈉溶液和蒸餾水快速注入兩支大試管中，關(guān)閉魯爾閥，振蕩后放人盛有自來水的大燒杯中。

（5）待注入飽和碳酸鈉溶液的大試管中出現(xiàn)較多白色晶體后，點(diǎn)擊停止按鈕終止數(shù)據(jù)采集，保存數(shù)據(jù)。

4數(shù)據(jù)記錄和分析

4.1實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記錄

飽和Na₂CO₃溶液與CO₂反應(yīng)：CO₂起始?xì)鈮簽?00.12kPa，注入10mL飽和碳酸鈉溶液時(shí)，氣壓升至109.13kPa，而后下降為101.1kPa。200 s時(shí)，試管內(nèi)壁出現(xiàn)少量白色晶體，氣壓為98.25 kPa;439s時(shí)，試管中生成較多白色晶體，氣壓降為87.91 kPa（圖2上）。

蒸餾水與CO₂反應(yīng)：CO₂起始?xì)鈮簽?00.59 kPa，注入10mL蒸餾水后，氣壓升至108.08 kPa，而后下降為104.7 kPa;200 s時(shí)，氣壓為104.7 kPa;439 s時(shí)，氣壓為103.43 kPa（圖2上）。大燒杯中水溫基本不變（圖2下）。

4.2數(shù)據(jù)處理和理論分析

（1）上述圖2上方曲線是飽和Na₂CO₃溶液吸收CO₂過程中試管內(nèi)氣體壓強(qiáng)的變化和蒸餾水吸收CO₂過程中試管內(nèi)氣體壓強(qiáng)的變化，下方是燒杯中水浴溫度。注入兩種液體時(shí)，試管中氣壓瞬間增大，隨反應(yīng)的開始，又減小，因此，反應(yīng)開始時(shí)兩曲線有相似的波峰。