常用碱溶液与CO2反应的再探究

常用碱溶液与CO2反应的再探究商丘市实验中学张坤鹏摘要：探究常见碱溶液与二氧化碳反应。运用数字化实验突破教学重点和难点，拓展和丰富了化学实验手段，让化学实验更好的融入生活实际，激发了学生的学习兴趣，更重要的是帮助学生学会运用一些化学知识和方法分析和解决实际生活问题，理解科学的本质，提高化学学科素养。关键词：碱溶液与二氧化碳数字化传感器化学学科核心素养。一、研究背景化学是一门以实验为基础的学科，在教学中创设以实验为主的科学探究活动。义务教育化学课程标准（2011年版）在教学建议中强调了教师“尤其要注重有效发挥现代信息技术的作用”的要求［1］。初中阶段的化学实验多为定性实验，缺乏定量的研究，造成的后果是学生在学过碱的性质后只形成了模糊的概念，并记住这样常规的结论：“通常吸收二氧化碳都是用氢氧化钠溶液，检验二氧化碳用氢氧化钙溶液”。对知识的本质并没有理解，不能够恰当的运用和处理实际中的复杂情况。而义务教育化学课程标准（2011年版）提出注意从学生已有的经验出发，让他们熟悉的生活情景和社会实践感受化学的重要性，了解化学与日常生活的密切关系，逐步学会分析和解决与化学有关的一些简单实际问题[2]。化学学科核心素养“科学探究与创新意识”中提出要让学生能发现和提出有探究价值的问题；能从问题和假设出发，确定探究目的，设计探究方案，进行实验探究；面对“异常”现象敢于提出自己的见解。培养学生证据意识，能基于证据对物质性质、变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实；建立观点、结论和证据之间的逻辑关系。现代学生应具有严谨求实的科学态度，具有探索未知、崇尚真理的意识；赞赏化学对社会发展的重大贡献。基于此，本节课就是对学生通过实验发现并提出的问题做的探究。将数字化技术渗透到化学教学中，可以将一些知识和问题通过具体的数据加以体现，使结论更加直观、有说服力。希望学生能对常规结论有更全面的认知，会解释生活中一些与此相关的现象，也让学生认识到科学技术在推动化学研究不断进步中起着重要作用。二、实验器材仪器：集气瓶、带有孔塑料板的气体发生装置、3孔多功能瓶、量筒、注射器、压强传感器、电导率传感器、天平、药匙、玻璃棒、烧杯等。药品：大理石、稀盐酸、饱和NaHCO3溶液、饱和的澄清石灰水、饱和NaOH溶液、2000mL含3gNaOH的溶液。三、实验设计总体思路提出问题NaOH溶液和Ca(OH)2溶液吸收CO2效果有何差异？设计实验实验准备收集CO2，配制溶液探究一对比两种碱的饱和溶液吸收效果。探究二对比等体积、含等溶质质量的两种碱溶液吸收效果。提出问题1.饱和NaOH溶液与CO2气体反应后为何变浑浊？2.澄清石灰水遇到过量CO2气体为何又会变澄清？查阅资料探究三查阅NaOH和Na2CO3固体溶解度。寻找CaCO3与CO2能发生反应的证据。分析解释四、实验教学目标（1）应用压强传感器等数字化实验器材，进行定量实验，对比探究常用碱溶液与二氧化碳的反应，充分理解“Ca(OH)2溶液也是可以用来吸收CO2的”。（2）通过实验探究加深对常用碱溶液性质和用途的认识，能解释自然界中相关的现象。五、实验教学内容分别将4种溶液[饱和NaHCO3溶液、饱和Ca(OH)2溶液、饱和NaOH溶液、与饱和Ca(OH)2溶液体积相同且溶质质量相等的NaOH溶液]注入盛有CO2的集气瓶中，测量并对比压强。得出结论：常用碱溶液吸收CO2效果取决于溶液的浓度；少量的CO2也可以用Ca(OH)2溶液吸收。测量澄清石灰水中不断通入过量CO2时电导率的变化，找到能证明CaCO3与CO2反应的证据。六、实验教学过程在学过常见的碱之后，学生已经知道最常用的碱是NaOH和Ca(OH)2,并对它们的性质和用途已经有了一定的认识。在做“碱的性质实验”时，分别把氢氧化钙和氢氧化钠溶液注入盛有CO2的集气瓶中，振荡、倒置，发现玻璃片都未落下。于是提出了这样的问题：为什么说“通常情况，吸收CO2用NaOH溶液，检验CO2用Ca(OH)2溶液”呢？NaOH溶液与Ca(OH)2溶液吸收CO2有何差异呢？本节课我们就对常用碱溶液与CO2的反应进行再探究。实验准备：选用一套气密性良好的CO2制取装置。为了科学严谨，我们排饱和NaHCO3溶液收集几瓶较纯净的CO2气体，并用量筒准确测量气体体积为0.270L（见图1）。图1CO2制取装置探究实验1：对比Ca(OH)2和NaOH的饱和溶液的吸收效果。①将20mL饱和NaHCO3溶液注入盛有CO2气体的集气瓶中,利用压强传感器记录瓶内压强为107.9KPa（见图2），作为对照组基础数据。图2测定注入溶液后压强的装置②将20mL饱和Ca(OH)2溶液注入盛有CO2气体的集气瓶中，观察现象，记录反应后瓶内压强数据。现象：溶液先变浑浊再变澄清，瓶内压强变为103.8KPa（见图3）。图3饱和Ca(OH)2溶液注入盛有CO2气体的集气瓶中，瓶内压强的变化③将20mL饱和NaOH溶液注入盛有CO2气体的集气瓶中，观察现象，记录反应后瓶内压强数据。现象：溶液变浑浊，压强变为6.2KPa（见图4）。图4饱和NaOH溶液注入盛有CO2气体的集气瓶中，瓶内压强的变化统计数据：表1饱和溶液注入盛有CO2气体的集气瓶中，瓶内的压强加入的溶液瓶内最终压强（P）饱和NaHCO3溶液107.9KPa饱和Ca(OH)2溶液103.8KPa饱和NaOH溶液6.2KPa瓶内的压强越小，气体越少，说明被吸收的CO2越多。与加入饱和NaHCO3溶液后瓶内的压强数据对比可知，饱和的NaOH溶液要比饱和的Ca(OH)2溶液吸收CO2效果更好。为什么呢？查阅固体溶解度：表2氢氧化钠的溶解度温度(℃)01020304050溶解度(g)4251109119129145表3氢氧化钙的溶解度温度(℃)01020304050溶解度(g)0.1850.1760.1650.1530.1410.138相同温度下NaOH要比Ca(OH)2的溶解度大很多，即20mL溶液中溶解的NaOH更多。是不是这个原因呢？我们继续探究。探究实验2：对比等体积、含等溶质质量的Ca(OH)2和NaOH溶液的吸收效果。通过计算，该实验条件下,20mL饱和Ca(OH)2溶液中溶质质量为0.03g。于是，称量3gNaOH配成2000mL溶液，取其中20mL，注入盛有CO2气体的集气瓶中。观察现象，记录反应后瓶内压强数据。现象：溶液无明显现象，瓶内压强变为103.2KPa。图520mL溶质质量为0.03g的NaOH溶液注入盛有CO2气体的集气瓶中，瓶内压强的变化表420mL含0.03g溶质的碱溶液注入盛有CO2气体的集气瓶中，瓶内的压强加入的溶液瓶内最终压强（P）饱和NaHCO3溶液107.9KPaCa(OH)2溶液103.8KPaNaOH溶液103.2KPa与加入饱和NaHCO3溶液后瓶内的压强数据对比可知，溶质质量相同的Ca(OH)2和NaOH溶液的吸收效果相差不大。于是我们可以得到结论：碱溶液浓度大小是影响吸收效果的决定因素。根据数据进行计算：表5分别向盛有CO2的集气瓶中加入饱和NaHCO3溶液和饱和Ca(OH)2溶液后的各项数据PVT向CO2中加入饱和NaHCO3溶液后107.9KPa0.250L297.6K向CO2中加入饱和Ca(OH)2溶液反应后103.8KPa0.250L297.6K加入20mL饱和Ca(OH)2溶液反应后，CO2减少的质量m=0.018g。所以说，少量CO2也可以用Ca(OH)2溶液来吸收。实际上：实验室通常用20%NaOH溶液来吸收杂质气体中的CO2。在生产实际中，Ca(OH)2与NaOH相比更易得，成本低。又因其溶解度较低，通常用石灰浆或石灰乳吸收CO2或SO2等气体。细心的同学发现，在我们刚才的探究实验中，出现了“意外”的情况：饱和NaOH溶液与CO2反应后变浑浊了；饱和Ca(OH)2与CO2反应，先变浑浊再变澄清。为什么会出现这样的现象？查阅固体溶解度可知：表6氢氧化钠的溶解度温度(℃)01020304050溶解度(g)4251109119129145表7碳酸钠的溶解度温度(℃)01020304050溶解度(g)712.221.839.748.847.3相同温度下，NaOH的溶解度要比Na2CO3的大。饱和NaOH溶液与CO2反应后生成了Na2CO3，故溶液变浑浊。探究实验3：浑浊的石灰水为何又变澄清？寻找CaCO3与CO2能发生反应的证据。同学们作出了两个猜想，猜想①：溶液中释放出了CO2，猜想②：溶液吸收了更多的CO2。在刚才的实验中，我们观察到反应过程中瓶内压强是持续变小的。这说明并没有CO2从溶液中被释放出来，猜想①是错误的。澄清石灰水遇到过量CO2气体为何又会变澄清，已经变浑浊的石灰水还能再吸收更多的CO2吗？在等量的溶液中，酸、碱、盐溶解的越多，电导率越大。我们可以通过测定溶液电导率的方法来验证：过量的CO2能继续与CaCO3发生反应。图9澄清石灰水中不断通入过量的CO2电导率的变化曲线实验结果：电导率先减小，后增大。这是因为过量的CO2在有水的环境中能继续与CaCO3发生反应生成可溶的Ca(HCO3)2。因此，我们在检验CO2时加入的澄清石灰水不宜过少。大自然是一个高明的魔术师，我们学习的化学反应大自然本就熟稔于心。下面我们来看几幅大自然的作品。这是美如仙境的溶洞景象，不要说全国，就是我们江西的神农宫、洪岩仙境、河南的鸡冠洞、雪花洞等都如鬼斧神工一样奇幻神秘。我们今天学习的内容就能揭开溶洞的神秘面纱。这些溶洞中的石灰岩的主要成分是CaCO3，遇到溶有CO2的水时，会反应生成溶解度较大的Ca(HCO3)2；当外部条件改变时，Ca(HCO3)2就会分解重新生成CaCO3沉积下来，形成钟乳石和石笋。才有了“嶙峋险峭天然成，似云似雾似仙境”的奇观。七、实验效果评价该创新实验装置及探究，从定量的角度解释了常用碱溶液吸收二氧化碳效果的差异，使学生对化学定