碳酸钠和碳酸氢钠与酸反应生成二氧化碳速率比较

1、实验五 Na2CO3、NaHCO3与酸反应生成CO2速率比较一、 探究问题的提出人教版普通高级中学教科书 (试验修订本必修) 化学第一册 实验 2- 7碳酸钠、碳酸氢钠与稀盐酸反应的对比实验:用等质量( 0.3g)的碳酸钠和碳酸氢钠与 3mL的稀盐酸发生反应,通过气球膨胀快慢和大小来比较了两个反应的剧烈程度。通过大量的实验和学生的科学探究, 我们小组认为, 这个实验存在以下几点不足:1、没有指明盐酸的具体浓度。并不是所有浓度的稀盐酸都能比较出两个反应的剧烈程度的。经过查阅文献可知: 当盐酸的浓度超过1.8mol /L时,二者反应同样剧烈,无法比较。2、 实验现象不明显。并不能很明显地观察到气球

2、膨胀的快慢。3、 用气球膨胀的大小来比较二者的反应速率是不科学的。 0.3g的 Na2CO3的物质的量是0.0028mol, 0.3g 的NaHCO3 的物质的量是0.0036mo,若盐酸是足量的, 则 NaHCO3比Na2CO3产生的二氧化碳多,气球膨胀的就大。若盐酸是不足量的,则二氧化碳的量用盐酸来计算,盐酸的量是相等的,所以二氧化碳的量相等,气球膨胀的一样大。因此,气球膨胀的大小与反应速率无关。4、反应不同步。两手拿气球往试管中倾倒药品,操作不规范, 难以保证反应同时进行。为了解决以上不足, 我们小组对此实验进行了改进,取得了较好的效果。二、 问题解决设想1、 盐酸浓度的控制，通过文献的

3、查阅，我们发现当盐酸的浓度超过1.8mol /L时,碳酸钠和碳酸氢钠反应同样剧烈,无法比较。因此，实验设想采用1mol/L的HCl与碳酸钠和碳酸氢钠反应，既能保证实验进行的速率，又能达到理想的实验效果。2、 实验现象不明显。想要在未改进的实验中观察到气球膨胀的快慢是存在难度的，同时也很难保证气球体积的一致。因此，我们设想将产生的气体的快慢和多少通过转换为长导管的水柱高度来表征，由于导管的管径很小，气体的产生对水柱上升的高度有很明显的影响，通过观察水柱上升的高度和快慢我们可以直观得观察到实验现象。3、 碳酸钠和碳酸氢钠反应的用量的确定。为了使能够针对性得探究碳酸钠和碳酸氢钠本身性质对与其和盐酸反

4、应的影响。我们需要采用控制变量法，因此，在这里我们将反应的碳酸钠和碳酸氢钠的物质的量均定为0.01mol，也就是分别为1.06g和0.84g。4、 为了使反应同步进行，我们设想采用注射器同压板同时按下注射器活塞, 注入稀盐酸。5、 为了使实验结果更具说服力和直观性，我们小组将同时从定性和定量的角度进行分析，通过导管液面上升的速度随时间的变化作图分析。三、 实验设计方案1、 实验仪器与试剂（1） 实验仪器移液管 50mL 2支 集气瓶 125mL 2只具支试管 13mmX170mm 2支 双孔橡皮塞 2个注射器 10mL 2支 天平 1台同压板 1个 （2） 实验试剂碳酸钠 固体 碳酸氢钠 固体

5、浓盐酸 1瓶 红墨水 1瓶2、实验装置图 3、实验步骤（1）在两个集气瓶中分别加入 125mL的滴有红墨水的饱和碳酸氢钠溶液。（2） 注射器内吸入适量空气后,塞紧胶塞,按下注射器活塞, 检查装置的气密性(移液管内有红色液柱上升, 并能保持恒定位置, 证明气密性良好)。（3） 两支具支管中分别加入 1.06g Na 2CO3和0.84g NaHCO3 (此时二者物质的量相等均为0.01mol)粉末, 两支注射器中各抽取 10mL1mo l/L的稀盐酸(保证稀盐酸是过量的 ), 将针头扎在橡胶塞上。（4）用注射器同压板同时按下注射器活塞, 注入稀盐酸。（5）观察长导管液面上升情况，每间隔5s分别在

6、两导管做标记。（6）读取不同时间段液面上升的高度，并以液面高度对时间作图，定量分析碳酸钠和碳酸氢钠和盐酸反应的快慢程度。四、 实验过程记录1、实验的进一步改进由于实验室实验仪器的缺乏，实验在开始的过程中就遇到了问题。最后将实验进行了另外的改进。首先将注射器换为分液漏斗，同时可以达到控制滴加速度和时间的效果。其次实验室缺乏长导管，我们将采用另外的方法，即排水集气法收集由于产生气体排出的水。将导管放入烧杯中收集排出的水，根据水排出的速度和体积进行记录，对此进行定性和定量的分析。最后，由于同压板缺乏，我们将只使用一套实验装置，通过记录反应时间，这个时候就不需要让反应同时发生了，也可以排除实验装置不同

7、对实验结果造成的影响。 改进后实验装置图2、 实验过程记录（1）第一次实验：称取1.06g的碳酸钠和0.84g的碳酸氢钠，观察其形态：均为白色粉末状固体。将称取的碳酸氢钠放入具支试管中，将10mL1mol/L的HCl放入分液漏斗中，往碳酸钠中一次性加入HCl，观察记录实验现象。 将称取的碳酸钠放入具支试管中，将10mL1mol/L的HCl放入分液漏斗中，往碳酸钠中一次性加入HCl，注意两次滴加的时间应尽量相同，以减少实验误差，观察记录实验现象。将10mL1mol/L的HCl放入分液漏斗中，往碳酸钠中逐滴匀速加入HCl，观察记录实验现象。实验结果与反思：药品项目碳酸钠+盐酸碳酸氢钠+盐酸实验现象

8、分液漏斗中的部分盐酸滴加到具支试管中后，没有办法继续滴加，已滴加的盐酸和碳酸钠发生反应，可在溶液中观察到气泡冒出，但是气体瓶中的水没有进入到烧杯中。分液漏斗中的部分盐酸滴加到具支试管中后，没有办法继续滴加，已滴加的盐酸和碳酸氢钠钠发生反应，可在溶液中观察到气泡冒出，但是气体瓶中的水被压入到烧杯中，集气瓶中水已被完全排出，仍有气泡在溶液中冒出。现象解释观察到溶液中有气泡产生，说明反应已经顺利进行，但是由于盐酸与碳酸钠的反应较慢，一开始并无气体产生，所以开始时盐酸可以滴加到具支试管中，随着反应的进行，部分碳酸钠转化为盐酸，也就是说溶液中已经有部分的HCO3-存在，继续滴加盐酸，很快转化为CO2和H

9、2O但此时由于生成的CO2气体较少，气压不足以将集气瓶中的水压到烧杯中去，但是气压的增大却使盐酸无法继续滴加，造成实验的失败。观察到溶液中有气泡产生，说明反应已经顺利进行，由于碳酸氢钠与盐酸反应是一步进行的，因此反应的速率很快，生成的CO2气体较多，因此，产生的气压足以将集气瓶中的水压入烧杯中。但是，当集气瓶中的水排尽之后，反应还在进行，说明集气瓶的体积太小，小于反应产生气体的体积，实验反思本次实验忽略了实验中产生的气压会使反应物盐酸无法完全滴加到具支试管中的问题，而且没有完全考虑到集气瓶的体积与产生的气体体积大小的关系，导致两个小实验均以失败告终。（2）第二次实验改进之处（针对第一次实验）：

10、由于分液漏斗无法将盐酸完全滴加到具支试管中，我们将分液漏斗换为10mL的注射器。就可以利用外力将盐酸全部加入到具支试管中。另外，通过计算，当0.01mol的碳酸钠或者碳酸氢钠完全反应时，将会生成224mL的CO2气体，所以我们小组将集气瓶换为350mL的矿泉水瓶进行实验，实验步骤与第一次实验相同。实验结果与反思 药品项目碳酸钠+盐酸碳酸氢钠+盐酸实验现象用注射器将盐酸滴加到具支试管中后，在溶液中观察到气泡冒出，但是矿泉水中的水没有进入到烧杯中。具支试管底部有较多白色固体残留。用注射器将盐酸滴加到具支试管中后，在溶液中观察到气泡冒出矿泉水中的水进入到烧杯中。具支试管底部有少量白色固体残留（与碳酸

11、钠和盐酸反应的时间相同）。现象解释在本次实验中，盐酸已经完全加入到具支试管中，反应能够持续进行。但是矿泉水中的水没有进入到烧杯中，说明气压依然不够大，加上具支试管中仍有白色固体即碳酸钠残留，同样说明反应的速率太慢了在本次实验中，盐酸已经完全加入到具支试管中，反应能够持续进行。但是矿泉水中的水进入到烧杯中，但具支试管中仍有少量白色固体即碳酸氢钠残留，同样说明反应的速率太慢了，但是相比碳酸钠跟盐酸的反应，明显要快很多。实验反思经过分析，我们小组一开始认为可能是反应装置的气密性存在问题。后来我们排除了这种可能性，既然碳酸氢钠与盐酸反应能够产生气体将矿泉水瓶中的水压到烧杯中，说明该装置的气密性应该不存

12、在问题。那么，考虑到具支试管中的碳酸钠和碳酸氢钠都没有反应完全，我们初步猜测，会不会是反应物即盐酸的浓度太低了呢？（3）第三次实验实验改进：之前的文献查阅表明当盐酸的浓度超过1.8mol /L时,碳酸钠和碳酸氢钠反应同样剧烈,无法比较。但是我们忽略了盐酸的浓度超过1.8mol /L是针对碳酸钠和碳酸氢钠溶液而言的。在实际实验中，我们采用的是碳酸钠和碳酸氢钠固体，因此在这里盐酸的浓度应大大增加才可以观察到明显的实验现象。在此，我们把盐酸的浓度改为3mol/L，实验步骤与之前的实验一样。 药品项目碳酸钠+盐酸碳酸氢钠+盐酸实验现象用注射器将盐酸滴加到具支试管中后，在溶液中观察到气泡冒出，但是矿泉水

13、中的水没有进入到烧杯中。具支试管底部没有白色固体残留。用注射器将盐酸滴加到具支试管中后，在溶液中观察到气泡冒出矿泉水中的水进入到烧杯中。具支试管底部没有白色固体残留（与碳酸钠和盐酸反应的时间相同）。现象解释盐酸的浓度增加后，碳酸钠完全溶解了，说明盐酸的浓度大小对于实验是否成功有着较大的影响，但是气体依然没有把矿泉水瓶中的水压入烧杯中，说明气压不够。盐酸的浓度增加后，碳酸氢钠完全溶解了，说明盐酸的浓度大小对于实验是否成功有着较大的影响，而且产生的气体足够把矿泉水瓶中的水压入烧杯中，说明气压足够实验反思本次实验通过增加盐酸的浓度，加快了反应的速率，初步证明了猜想的正确性。但是，由于碳酸钠与盐酸反应

14、的速度较慢，产生气体的速度较慢，因此不能观察到明显的实验现象。接下来我们小组将会在反应物浓度方面对实验进行改进。（4）第四次实验改进之处：从第三次实验中我们分析得知：碳酸钠与盐酸反应后矿泉水瓶中的水没有进入烧杯中是由于产生的气体速度过慢，气压不够所导致的。因此，在本实验中我们将碳酸钠和碳酸氢钠的用量均加倍为即0.2mol，盐酸的浓度为6mol/L。 药品项目碳酸钠+盐酸碳酸氢钠+盐酸实验现象用注射器将盐酸滴加到具支试管中后，在溶液中观察到气泡冒出矿泉水中的水进入到烧杯中。具支试管底部没有白色固体残留。用注射器将盐酸滴加到具支试管中后，在溶液中观察到气泡冒出矿泉水中的水进入到烧杯中。具支试管底部

15、没有白色固体残留（与碳酸钠和盐酸反应的时间相同）。现象解释盐酸的浓度增加后，碳酸氢钠和碳酸钠完全溶解了，说明盐酸的浓度大小对于实验是否成功有着较大的影响，而且产生的气体足够把矿泉水瓶中的水压入烧杯中，说明气压足够。实验反思实验最后取得了成功，从实验改进的过程中我们可以看出，反应物的用量多少及浓度大小对实验成功与否有很大的影响，做实验的时候应该考虑全面，细心，同时也说明实验的改进也是一个逐步探究的过程。 图1碳酸钠与盐酸反应实验现象 图2 碳酸氢钠与盐酸反应实验现象五、 相关问题探讨1、 实验结果与数据分析实验药品用量：NaHCO3 ：1.6g Na2CO3：2.0g HCl（6mol/L）：1

16、0mL气体体积反应时间50mL100mL150mL200mLNaHCO3 /s4.069.1426.5969.13Na2CO3 /s5.019.3115.5130.54从以上的数据和图表我们可以直观地看出，同样生成50ml的气体，碳酸氢钠与碳酸钠反应时所需要的时间更少，从定量的角度我们成功地证明了碳酸氢钠与盐酸的反应比碳酸钠和盐酸的反应更容易进行。从实验原理进行分析，我们知道，碳酸钠与盐酸反应的过程需要分两步进行。第一步：Na2CO3 + HCl = NaCl + NaHCO3 ； 第二步：NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+ CO2一开始的时候，碳酸钠与盐酸反应，必须全部转化为碳酸氢钠之

17、后才能继续与盐酸反应生成二氧化碳气体，而碳酸氢钠与盐酸反应是一步进行的。反应原理如下：NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+ CO2所以，碳酸氢钠与盐酸反应的速率要远远比碳酸钠和盐酸反应的速率大得多。但是随之我们发现，在生成100mL的气体后，碳酸钠的反应速率要比碳酸氢钠大得多。这是因为在后期的反应中，碳酸钠完全转化为碳酸氢钠，溶液中碳酸氢钠的浓度要比之前大得多，所以在后期碳酸钠的反应速率反而比碳酸钠的反应速率要快。而且，我们发现，碳酸钠与盐酸的反应是一个放热反应而碳酸氢钠与盐酸反应是一个吸热反应。由于在反应过程中放出热量，温度升高，会使反应的速率加快，因此在后期的反应中，碳酸钠与盐酸的反应

18、呈加快的趋势。相反的，碳酸氢钠与盐酸的反应则呈现出相对缓慢的趋势。实际上，我认为在本次实验中，采用碳酸钠和碳酸氢钠固体可能会对实验结果产生一定的干扰。我们发现，当盐酸的浓度比较低的时候，在较短的实验内碳酸钠和碳酸氢钠均不能够完全溶解，会造成一定的实验误差，因此，我们最好改用碳酸钠或者碳酸氢钠溶液来进行反应。另外，由于作用盐酸的浓度过高，反应又伴随着吸热和放热同时进行，盐酸在反应的过程中有可能受热逸出，与饱和碳酸氢钠溶液反应，造成非反应生成气体原因的排水体积的变化，同样会影响到实验的结果。2、 将中学实验与大学知识结合起来，用大学知识来区别碳酸钠和碳酸氢钠这两种不同的物质，以下是参考文献的相关鉴

19、别方法。在实验过程中发现，碳酸钠和碳酸氢钠与稀盐酸反应的热效应是明显不同的，碳酸氢钠与稀盐酸反应是一个吸热反应，而碳酸钠与稀盐酸反应是一个放热反应，我们设计了如下实验，用定量研究的方法来证明：分别用两只具支试管，各用一个与具支试管配套的双孔塞子，一个孔中装一支温度计，另一个孔中装一个分液漏斗。实验装置如下： 两只具支试管中分别加入1g NaHCO3和Na2CO3固体，分液漏斗中分别盛有10ml、2mol/L稀盐酸，采用具支试管，可以便于产生的气体逸出。同时打开两个漏斗的活塞，把10ml稀盐酸完全放出，会观察到：Na2CO3和NaHCO3与稀盐酸地反应程度同样剧烈，这时候仅从反应的剧烈程度是难以区分出Na2CO3和NaHCO3的，但是1g Na2CO3和NaHCO3与1