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碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应实验的再讨论

2009-1-7 12:15:34  来源:高中化学网  作者:www.gzhxw.cn  【 】  浏览:

 

摘要:关于碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应的实验的讨论一直受广大教师的关注,同时又是新旧教材中不可或缺的教学内容之一。在深入分析这一实验的直接目的和间接意义的基础上,结合高中化学新课程,对已有研究中的反应速率、反应机理、反应热效应和鉴别方法等问题进行进一步的讨论与分析。

 

关键词化学反应速率;热效应;鉴别

 

关于碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应的实验一直是化学教师探讨和研究的一个重要话题,问题源于人教版全日制普通高级中学教科书(必修)《化学》第一册32页的一个实验:在两支试管中分别加入3 mL稀盐酸,将两个装有0.3 g Na2CO3NaHCO3粉末的小气球分别套在两支试管口。将气球内的Na2CO3NaHCO3同时倒入试管中,观察反应现象(图1[1]

 

 

 

 

 

《化学教育》和《化学教学》也曾多次刊登相关的研究论文以改进这一实验。由此可见,这一实验是高中化学教学的焦点问题之一。

 

 

1 已有研究的分析

 

 

2 实验目的的解读

 

2.1 目的之一:比较剧烈程度

从原教材的实验结论“NaHCO3Na2CO3都能与稀盐酸反应,但NaHCO3与稀盐酸的反应要比Na2CO3与稀盐酸的反应剧烈得多”[6]可以看出,这一实验的直接目的是为了比较反应的剧烈程度,即比较反应速率。

 

对于不同种物质与某一特定物质反应的速率研究一般以等时间、同浓度为前提,以同一反应物的消耗速率或同一生成物的生成速率进行比较。但对于不同的反应,其反应速率的比较是十分复杂的,它不仅与反应物的浓度和反应时间有关,还与化学反应的机理密切相关。因此,许多教材中指出“比较CO2气体放出的快慢”,而非“比较反应快慢”,更不会是“比较反应速率”,同时限定了反应物的用量,即NaHCO3Na2CO3为等物质的量,盐酸需适量。如苏教版化学2中设置的实验方案是:“取两支试管,分别加入5 mL 0.1 mol?L-1 Na2CO3溶液、NaHCO3溶液,再各加入3 mL 0.1 mol?L-1盐酸。观察并比较两个反应中CO2气体放出的快慢。”[7]这一实验方案有效地控制了Na2CO3NaHCO3的用量以及盐酸的用量和浓度,同时也避免了使用“比较反应速率”这一欠妥的说法。

 

2.2 目的之二:探索反应规律

 

笔者认为,Na2CO3NaHCO3与盐酸反应的实验目的绝非仅仅只是研究产生CO2的快慢,否则就没有必要对实验中稀盐酸的用量进行严格的限制。它至少还隐藏着对化学反应规律的探索:

 

Na2CO3+2HCl= 2NaCl+H2O+CO2,当盐酸的量不足时,产生的CO2与剩余的Na2CO3反应生成NaHCO3Na2CO3+H2O+ CO2 =2NaHCO3,综合上述两个反应即得到Na2CO3+HCl=NaCl+NaHCO3,离子方程式为CO32-+H+=HCO3-,即在加入少量盐酸的时候,Na2CO3不能释放出CO2

 

通过反应规律的探索,可以得出结论:CO32-与盐酸的反应本质是CO32-分两步得到H+逐步转变成HCO3-CO2;但HCO3-只要接受H+立即就会产生CO2

 

2.3 目的之三:寻找实践依据

 

笔者认为,研究Na2CO3NaHCO3与盐酸反应还有助于学生理解灭火器的制作原理,通过比较Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2这两个反应可以发现:为了得到等量的CO2,消耗盐酸的量是不同的,即n(HCl?Na2CO3): n(HCl?NaHCO3)=2:1;消耗Na2CO3NaHCO3固体的质量也是不同的,即m(Na2CO3):m(NaHCO3) =106:84=53:42。因此,在制作酸碱灭火器时使用的药品是NaHCO3而不是Na2CO3,即利用的是NaHCO3+ HCl=NaCl+H2O+CO2这一反应,这样有效地减轻了灭火器自身的重量。这可能也是人教版全日制普通高级中学教科书(必修)《化学》第一册中将固体的用量设置为等质量的原因之一。

 

3 相关问题的讨论

3.1 热效应问题:溶解过程的热效应是主导因素

根据公式rHmy =vBfHmy (B)和下列数据(表1[8]可以进行有关热效应的计算(表2

 

某些物质的标准摩尔生成焓(单位:kJ?mol-1

 

物质

H2O(l)

CO2(g)

Na2CO3(s)

NaHCO3(s)

Na+(aq)

CO32-(aq)

HCO3-(aq)

H+(aq)

fHmy

-285.830

-393.509

-950.81

-1130.68

-240.12

-677.14

-691.99

0

 

2 Na2CO3NaHCO3的溶解热效应及与盐酸反应的热效应(单位:kJ?mol-1

 

有关Na2CO3的过程

rHmy

有关NaHCO3的过程

rHmy

差异绝对值

溶解:Na2CO3=2Na++CO32-

-26.7

溶解:NaHCO3=Na++HCO3-

18.7

45.4

反应:CO32-+2H+=H2O+CO2

- 2.199

反应:HCO3-+H+=H2O+CO2

12.651

14.85

Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2

-28.899

NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2

31.351

60.25

 

由此可见,Na2CO3NaHCO3固体分别与盐酸反应过程中,其热效应主要是由于溶解的热效应导致的,分别占了各自全过程热效应的92.4%59.6%,溶解对这两个过程热效应差异的贡献达到75.4%,占据了主导地位。由于Na2CO3在整个过程中均为放热,而NaHCO3在整个过程中均为吸热,只是化学反应加剧了两个过程的热效应差异。因此,人教版化学教材设计了如下实验:“在两支试管里分别加入少量Na2CO3NaHCO3(1 g),观察二者外观上的细小差别。分别滴入几滴水,振荡试管,观察现象,用手摸一摸试管底部,有什么感觉?”[9]这一实验方案的设计的直接指向,就是让学生了解Na2CO3NaHCO3固体在溶解上存在较大的热效应差异。

 

3.2 鉴别方法问题

 

通过上述分析,利用盐酸作为试剂鉴别Na2CO3NaHCO3就有许多既简便而又行之有效的方法(表3)。

3 鉴别Na2CO3NaHCO3的简便方法

应用的原理

操作的方法

判断的依据

溶解和反应的热效应差异

向两支盛有固体试样的试管中滴入几滴水(或

稀盐酸,或浓盐酸),振荡,摸一摸试管底部。

温度较高的是Na2CO3

温度较低的是NaHCO3

反应过程的差异

向两支盛有溶液试样的试管中滴入几

滴稀盐酸,观察气体的生成情况。

产生气体的是NaHCO3,无气体产生的是Na2CO3

 

根据公式Q=cmt,在放热相同的情况下,用减少试剂用量(m)的方法可以增大温度变化(t)的显著程度。因此,利用热效应差异的鉴别方法中,液体的用量必须严格控制。

 

参考文献

[1][6]人民教育出版社化学室.全日制普通高级中学教科书(必修)《化学》第一册,北京:人民教育出版社,200332

[2]吴丹,马宏.化学教育,200728(11)54

[3]王娜,白新瑞.化学教学,2007(10)8~9

[4][7]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书化学2(必修).3版,南京:江苏教育出版社,200628

[5][9]人民教育出版社.普通高中课程标准实验教科书?化学1?必修,北京:人民教育出版社,200450

[8]天津大学物理化学教研室编.《物理化学》上册.4版,北京:高等教育出版社,2001.12311~317

大多数的研究把焦点集中在反应速率上,并建议将固体的用量由“等质量”改为“等物质的量”,将盐酸的浓度限定在“1 mol?L-1以内”。[2][3]同时也有一些研究质疑实验中通过产生气体的量比较化学反应速率是否科学?一些研究对反应的热效应进行了测定,并提出用其反应的热效应来鉴别Na2CO3NaHCO3。总体上来说,目前的研究已经从教材实验的速率问题拓展到了热效应和鉴别问题。普通高中课程标准实验教科书化学教材中同样涉及Na2CO3NaHCO3与盐酸反应的实验研究[4][5],但在实验方案上作了适当的调整,或开放性地设置实验,以避免上述的质疑。笔者认为,有必要对Na2CO3NaHCO3与盐酸反应实验的目的作进一步的分析,同时澄清热效应及鉴别方法等相关问题。


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