运用化学数字化实验，突破NaHCO3与碱反应学习难关

学习中的一个难点。本文从学生学习NaHCO3与碱反应的学习障碍出发，经过分析得出结论：学生最大的学习障碍是传统化学实验中没有与微观反应过程对应的宏观现象表征，无法为教师引导学生进行微观探析活动提供直观有力的证据支持。故而设计化学数字化实验来探究NaHCO3与碱反应的原理，得到反应混合溶液的pH变化曲线，增强学生的曲线表征以及宏微结合解决问题的能力，帮助学生突破学习中的难点，从而使学生能够顺利建构NaHCO3与碱[如Ba（OH）2]反应的原理。

关键词：数字化实验 碳酸氢钠 pH实验探究

NaHCO3是人教2003版必修1第三章金属及其化合物中钠的重要化合物部分的教学内容。NaHCO3既是钠盐，也是学生接触的第一种酸式盐，是弱酸酸式盐代表物，它的化学性质主要跟HCO-3有关，对于它的性质的学习将为学生今后理解酸式盐的通性奠定基础。多年的教学经验告诉我，NaHCO3与碱[如Ba（OH）2]的反应是学生学习中的一个难点，仅凭传统的实验和教师的讲解，大多数学生无法真正理解和接受NaHCO3与碱反应的本质和原理，在解决问题时经常出错。如何突破这一难点，促进学生对知识的理解，进而形成解决问题的能力呢？本文通过分析学生学习NaHCO3与碱反应存在困难的原因，找到化学数字化实验这一现代化实验方法来帮助学生突破学习中的难点。

一、NaHCO3与碱反应学习难点成因

1.学生认知度低。

虽然学生在初中化学中已经学习过NaHCO3，但当时仅仅介绍了NaHCO3与酸的反应及应用，NaHCO3的其他性质，学生在初中化学中并没有学习过，而且初中化学并不要求学生学习酸式盐，所以绝大部分学生不知道NaHCO3属于酸式盐，当NaHCO3以酸式盐的身份出现时，对刚进入高一不久的学生来说是高度陌生的，这成为学生学习NaHCO3的一个认知障碍。

2.教材基础理论知识滞后。

我们教师都知道NaHCO3与碱反应的本质是HCO-3电离出的H+与碱中的OH-反应。但高一的学生仅仅知道NaHCO3电离成Na+和HCO-3，必修一教材上通过科学探究，学生了解到NaHCO3溶液呈现碱性，那么呈碱性的NaHCO3溶液再与碱[如Ba（OH）2]溶液的反应，其反应的原理和实质是学生难以理解的，弱酸的酸式酸根的电离和水解要在选修4《化学反应原理》模块中才进行学习，教材在相关学习内容的安排上跨度过大，高一的学生没学到HCO-3的电离和水解是一种竞争反应，因此，学生是不可能想到HCO-3中的氢元素能以H+的形式参与碱的反应的，即使教师直接告诉学生，学生只是单纯的接受知识，不了解内因，不能较全面的分析该化学反应的实质。这就是学生学习NaHCO3与碱反应的理论障碍。

3.教学方法上缺少方便有效的直观教学手段。

将NaHCO3溶液与碱溶液[NaOH、Ba（OH）2等]相混合的传统实验往往没有现象或只有产生沉淀的现象，无法体现出HCO-3中的H+与碱中的OH-反应这一微观本质，教师也就缺少引导学生进行由表及里地推理的证据。这就是学生学习NaHCO3与碱反应的方法障碍。

二、应用化学数字化实验帮助学生突破学习难点

基于以上对学生学习NaHCO3与碱反应的困难分析可知，突破学生学习难点的关键在于用直观的手段向学生呈现HCO-3中的H+与碱中的OH-反应这一微观过程，从而为学生进行微观探析活动，理解、接受NaHCO3与碱反应的原理提供证据。

数字化实验简称DIS（Digital Information System）实验，是指通过传感器、数据采集器、计算机及相关数据处理软件组成的能够自动实时地采集数据，并以曲线（图表）的形式呈现数据的现代化的新型实验技术手段。化学数字化实验能将微观的化学变化数据化（将微观的化学变化转化为某一对应物理量的数据变化），并将数据曲线化（连续测量的数据以曲线的形式呈现），从而将难以感知（观察）的微观过程以曲线的形式直观地呈现在学生面前，为学生的微观探析活动和逻辑推理过程提供有力的证据支撑。

NaHCO3与碱反应时OH-参与反应这一微观事实表明，当向一定体积一定濃度的碱溶液[如Ba（OH）2溶液]中滴加一定浓度的NaHCO3溶液时，反应混合溶液的pH会随着OH-参与反应而减小，当然加入NaHCO3溶液的稀释作用也会使反应混合溶液的pH减小，如果扣除稀释作用的影响后反应混合溶液的pH仍然减小，则反应混合溶液pH的减小即可作为OH-参与反应的证据。利用化学数字化实验可以很方便地实现反应混合溶液pH变化的测定。下面就以Ba（OH）2溶液和NaHCO3溶液的反应为例说明用化学数字化实验引导学生探究、建构NaHCO3与碱反应的原理的过程。

实验1：取 1 mL 0.01 mol/L Ba（OH）2溶液放入试管，向其中滴加0.1 mol/L NaHCO3溶液。

在实验1中，学生可以观察到产生白色沉淀，并能推出白色沉淀是BaCO3。但学生疑惑：NaHCO3溶液中并没有CO2-3，BaCO3是如何产生的？

接下来设计化学数字化实验来为学生解惑。

测NaHCO3与 Ba（OH）2反应时溶液pH变化的数字化实验装置如图1所示：

实验2：利用图1装置，在搅拌的情况下，向100 mL 0.01 mol/L Ba（OH）2溶液中加入10 mL 0.1 mol/L NaHCO3溶液，用威尼尔pH传感器监测反应过程中溶液pH的变化。待溶液pH保持不变后，停止搅拌，等上层溶液澄清之后，向溶液中再加入10 mL 0.1mol/LNaHCO3溶液，继续用威尼尔pH传感器监测反应过程中溶液pH的变化。

实验3：利用图1装置，向100 mL 0.01 mol/L Ba（OH）2溶液中分两次分别加入10 mL蒸馏水，用威尼尔pH传感器监测稀释过程中溶液pH的变化。

从图3 pH变化曲线可知，100 mL 0.01mol/L Ba（OH）2溶液中加入20 mL蒸馏水，溶液的pH基本不变，说明向100 mL 0.01 mol/L Ba（OH）2溶液中加入20 mL 0.1 mol/L NaHCO3溶液，由于稀释作用对溶液pH的影响可以忽略不计。则图2 曲线中两次pH减小，均是由OH-参与反应造成的。结合NaHCO3电离成Na+和HCO-3知， OH-是与HCO-3反应，再结合产生BaCO3这一反应事实可确定OH-与HCO-3反应的产物是CO2-3和H2O。这样，即可顺其自然地归纳出NaHCO3与Ba（OH）2反应的原理：HCO-3与OH-反应生成CO2-3和H2O，CO2-3再与Ba2+结合成BaCO3。再结合离子代表一类物质的观点，即可推导出碳酸氢盐与碱反应的模式为：HCO-3先与OH-反应生成CO2-3和H2O，CO2-3再与阳离子结合成碳酸盐，结合时优先考虑形成难溶性碳酸盐。

在得出NaHCO3与Ba（OH）2反应的原理之后，可结合pH变化曲线继续引导学生分析出第二次加入NaHCO3溶液反应混合溶液的pH继续减小的原因是第一次加入与Ba（OH）2等物质的量的NaHCO3时，由于HCO-3的物质的量只有OH-的一半，OH-没有反应完，第二次加入NaHCO3后，OH-继续被HCO-3消耗。引导学生定量地分析NaHCO3与Ba（OH）2的反应，从而把握NaHCO3与多元碱反应中存在量的关系的本质。

《普通高中课程标准》（2017版）强调培养和发展学生的化学学科核心素养是教师教学的出发点和落脚点。宏观辨识和微观探析是化学学科核心素養之一，而进行微观探析往往是教师进行教学的难点和学生进行学习的难点，这需要宏观的实验现象、直观的数据作为证据支撑。而直观、方便正是化学数字化实验的优点，随着化学数字化实验的普及，以化学数字化实验为基础进行实验探究教学和引导学生结合化学数字化实验提供的数据（曲线）进行微观探析活动将成为常态。

参考文献：

[1]周艳芳.数字化探究实验在中学化学教学中的应用探析[J].课程教材教学研究（中教研究），2013（z4）：4849.

[2]张斌玉.数字化实验与中学化学教学融合的实践研究[D].合肥师范学院，2016.

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