夏琴 楊硯寧 毛明

摘要：針對滬教版初中化學教材中“氫氧化鈉溶液與二氧化碳氣體反應”的實驗作了改進設計。利用紫甘藍汁稀釋液作指示劑、干冰代替二氧化碳氣體，由手持pH計的“斷點式”檢測，繼而改用pH數(shù)字傳感器“連續(xù)式”檢測干冰與氫氧化鈉溶液的反應過程，通過觀察混合液酸堿度和紫甘藍汁的色差變化，從定性、定量和時間延續(xù)三個維度證明氫氧化鈉與二氧化碳發(fā)生反應的變化過程。實驗方法嚴謹，實驗現(xiàn)象明顯，突破了傳統(tǒng)實驗只用試管間斷性檢驗的局限性。

關鍵詞：CO2與NaOH溶液反應；自制紫甘藍汁指示劑；酸堿度；pH傳感器；實驗探究

文章編號：1005–6629（2016）10–0039–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

《義務教育化學課程標準（2011年版）》在“課程性質”中指出“化學是一門以實驗為基礎的學科，在教學中創(chuàng)設以實驗為主的科學探究活動，有助于激發(fā)學生對科學的興趣，引導學生在觀察、實驗和交流討論中學習化學知識，提高學生的科學探究能力”[1]?？梢?，實驗教學在化學課堂教學中占據(jù)著十分重要的地位，而創(chuàng)新實驗增強了化學課堂的趣味性與探究性，更加高效地服務于教學，貼合現(xiàn)代化學教學的需求。

氫氧化鈉溶液與二氧化碳氣體的反應是滬教版九年級化學教材“常見的酸和堿”[2]中的一個知識點。作為知識點的引入，如果這個反應在試管或者燒杯中進行，一般沒有明顯的實驗現(xiàn)象。以往教學中，通常在密閉容器中探究實驗過程中的氣壓變化，或者通過檢驗反應后的生成物碳酸鈉[3]間接證明反應的發(fā)生。以上方法比較傳統(tǒng)，趣味性和自主性不強。本研究試圖通過指示劑顏色的多層次變化和連續(xù)計量的方式來證明該反應的發(fā)生，使實驗變得可視、科學、有趣。

為了增強趣味性和自主性，筆者先對指示劑進行了改進，利用紫甘藍汁稀釋液作為酸堿指示劑[4]。先用手持式pH計檢測不同酸堿度溶液的pH，然后加入一定比例的紫甘藍汁稀釋液，通過觀察紫甘藍呈現(xiàn)的顏色，來確定相應顏色對應的pH范圍，從而選擇紫甘藍汁稀釋液的最佳顯色區(qū)域。考慮到教學現(xiàn)場制取大量二氧化碳耗時較長，因此本實驗選用干冰來代替二氧化碳氣體。將pH數(shù)字傳感器[5]的探頭浸入一定濃度的氫氧化鈉溶液中，連接傳感器，然后向氫氧化鈉溶液中加入干冰。由于干冰易升華，沉到容器底部的干冰，能快速地產生大量二氧化碳氣體并向上散逸，與氫氧化鈉溶液持續(xù)發(fā)生反應。在此反應過程中，紫甘藍的顏色也隨之發(fā)生豐富的變化，pH傳感器則連續(xù)測出溶液pH變化的數(shù)據(jù)和曲線，從而定量測定溶液酸堿度的變化。前者為表象，后者為數(shù)據(jù)，二者互為佐證，證明了二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應的發(fā)生。

1 背景實驗

1.1 自制紫甘藍汁指示劑

（1）將紫甘藍切成小塊，進行榨汁。

（2）用棉質紗布做過濾層，將紗布覆蓋在燒杯上并用棉線固定，將榨取的紫甘藍汁靜置后進行過濾。

（3）將紫甘藍汁與蒸餾水以1：25的體積比混勻、稀釋。

1.2 用紫甘藍汁稀釋液作指示劑間歇測定溶液酸堿度變化

（1）用稀鹽酸與稀氫氧化鈉溶液配制8種不同酸堿度的溶液，在室溫下（25℃），用手持pH計測定其酸堿度。

（2）向8種溶液中分別加入紫甘藍汁稀釋液，充分攪拌，溶液呈現(xiàn)不同顏色。

1.3 測試結果

2 創(chuàng)意實驗

2.1 實驗用品

筆記本電腦、Vernier數(shù)據(jù)采集器、Vernier pH傳感器、普通家用原汁機、直口厚壁玻璃瓶（直徑8cm，高25cm）3個、燒杯（250mL）1個、細口瓶（500mL）6個、量筒（1000mL）2個、玻璃棒3根、手電筒1個、手套1副

氫氧化鈉溶液（0.1 mol·L-1）、干冰、紫甘藍1棵、蒸餾水等

2.2 實驗過程

（1）在3個玻璃瓶上分別標注1號、2號、3號，在3個瓶中各加入400mL一定濃度的紫甘藍汁稀釋液。

（2）在1號瓶中加入200mL蒸餾水，在2號、3號瓶中分別加入200mL 0.1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液，使3個瓶內的溶液體積保持一致。其中，1號瓶是用作空白對照，2號瓶與3號瓶起始狀態(tài)一致，用來與3號瓶即將發(fā)生的反應作對比。

（3）在3號瓶中插入pH傳感器探頭，浸入溶液中，再連接數(shù)據(jù)采集器。向3號瓶所盛溶液中投入幾塊干冰。測定溶液的pH變化，觀察實驗過程中的現(xiàn)象（如圖1所示）。

2.3 現(xiàn)象描述

觀察3號瓶內發(fā)生的現(xiàn)象：干冰在溶液中立即產生了大量氣泡，在瓶口形成了云霧繚繞的景象，瓶內溶液的顏色由原來的綠色逐漸轉變?yōu)樯罹G，繼而變?yōu)榇渚G，緊接著轉化為淺綠，然后慢慢變?yōu)楹{、天藍、青藍，最終變?yōu)樽仙?。從紫甘藍汁顏色變化的多樣性，結合圖1所測得的相關數(shù)據(jù)，從定性和半定量的角度，可以感知到溶液的酸堿度發(fā)生了變化。

與此同時，pH數(shù)字傳感器采集到反應過程中連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，形成了pH曲線，直觀、形象地表明了溶液中pH的變化[6]——pH由最初的12逐漸變化到小于7，從而揭示了氫氧化鈉溶液與二氧化碳發(fā)生反應的過程。

2.4 結論

（1）打破傳統(tǒng)的通過檢驗實驗中氣壓變化或產物來間接證明反應發(fā)生的方法，將二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應過程從視覺上和數(shù)據(jù)上連續(xù)地呈現(xiàn)出來，奇妙的化學現(xiàn)象給教學帶來了豐富的視覺刺激。整個實驗過程所需要的時間在2分鐘以內，既適合作為課堂演示實驗，也可以作為學生的探究實驗，有較好的教學價值。

（2）用干冰代替二氧化碳氣體，操作簡便，既體現(xiàn)了物質的多樣性，又營造出了云霧繚繞的奇妙景象，增強了實驗的趣味性，讓學生體驗化學之美；用生活中的常見蔬菜紫甘藍汁液代替?zhèn)鹘y(tǒng)的指示劑紫色石蕊試液，拉近了化學與生活的距離，體現(xiàn)了生活化學的理念；利用紫甘藍顏色多變的特點，也讓學生初步了解指示劑變色范圍的概念，為將來指示劑的學習作鋪墊。

（3）用pH計間斷性檢測與用數(shù)字傳感器連續(xù)性檢測作對比，使氫氧化鈉與二氧化碳的反應更具有可視性、科學性。本實驗的改進體現(xiàn)了實驗的定性、定量的融合和數(shù)字傳感技術的有效使用。

3 本實驗用紫甘藍汁調配與顯色區(qū)域的探究

3.1 紫甘藍汁提取液稀釋調制的配比

本實驗用原汁機榨取紫甘藍汁原液，原液為深紫色，若濃度過大，紫甘藍汁自身的紫色會干擾實驗現(xiàn)象的觀察。為了增強實驗的視覺效果，通過控制變量進行反復實驗，得出紫甘藍汁原液與蒸餾水以1：25的體積比進行稀釋，能獲得較好的實驗效果。

3.2 紫甘藍汁稀釋液顯色區(qū)域的選擇

從使用手持pH計間歇測定紫甘藍汁稀釋液在不同酸堿度溶液中的顯色情況可知，其在不同pH環(huán)境的溶液中顏色變化非常豐富。查閱資料可知紫甘藍汁液顯色的有效成分是花青素（其結構如圖2所示）[7]，花青素在堿性較強時，其結構會發(fā)生轉變，因此實驗結束時無法轉變?yōu)樽仙?/p>

為了觀察到溶液更多層次的顏色變化，筆者反復多次實驗。發(fā)現(xiàn)若使紫甘藍汁與氫氧化鈉溶液混合后起始色為黃色（此時溶液堿性較強），在實驗過程中，縱使加入足量的干冰，直至溶液pH小于7時，溶液顏色的變化始終在黃色區(qū)間，最終呈現(xiàn)灰色，溶液色彩變化比較單一，少了感官上的視覺美感。本實驗中，筆者選擇pH約為12.8的綠色溶液（傳感器測定與手持pH計測定有一定誤差）作為起始顏色，整個實驗過程中，溶液的顏色在綠色、藍色、紫色三個顏色區(qū)間內進行逐層次的轉變，可謂美輪美奐。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2011：2.

[2]王祖浩主編﹒義務教育教科書·化學（九年級下冊）[M].上海：上海教育出版社，2012：46.

[3]李瓊﹒二氧化碳和氫氧化鈉溶液反應的實驗探究[J].新課程學習（上旬），2014，（8）：6.

[4]張小平，張旻媛﹒紫甘藍色素變色實驗的設計[J].化學教學，2014，（6）：50.

[5]蔡碧霞﹒利用現(xiàn)代傳感技術繪制酸堿中和滴定曲線[J].化學教育，2009，（11）：56.

[6]華中師范大學等編.分析化學（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2001：139.

[7]高攀峰，侯金麗，傅海燕等﹒紫甘藍花青素三種提取工藝對比研究[J].食品研究與開發(fā)，2015，（12）：37.