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探究碳酸钠与盐酸的反应原理
一、指导思想与理论依据
课标在内容上，要求通过实验探究，了解钠及其重要化合物的主要性质。
在策略上重视开展高水平的实验探究活动。
因此，选择探究碳酸钠与盐酸的反应原理作为载体，来发展学生的核心素养。
二、教学背景分析
（一）教材分析
本节位于高中化学新人教版必修一第二章第一节，主要内容是钠盐的物理与化学性质，这不仅是对初中盐类概念的进一步深化，也是为选择性必修1学习盐类水解作好铺垫。
新旧教材里并没有对碳酸钠与盐酸反应的原理进行深入探究剖析，只是对比了碳酸钠与碳酸氢钠的不同性质。在验证碱性的实验里，是用酚酞作为指示剂。
（二）学情分析
学生已知碳酸钠、碳酸氢钠能与盐酸反应，并且两者碱性不同；对pH有一定认识，能够基于控制变量法来设计实验方案。
但对碳酸钠与盐酸的反应原理缺乏深入探究；宏微结合分析的能力尚待提高。证据推理的能力需要强化。
基于此，决定设计高水平探究实验，引导学生探究碳酸钠与盐酸的反应原理。
（三）教学重难点
（1）重点：碳酸钠与盐酸的反应原理。
（2）难点：设计实验探究碳酸钠与盐酸的反应。
三、教学与评价目标
（一）教学目标
（1）通过碳酸钠与盐酸的反应原理的探究，强化了基于“宏微结合”解释现象与预测验证的能力，初步形成“宏-微-符-线”四重表征的结构化认识思路。
（2）通过证明或证伪碳酸钠与盐酸的反应原理的猜想的过程，发展了基于证据进行推理论证的能力，初步建构从定性与定量视角认识碳酸钠与盐酸的反应历程。
（3）通过提出、讨论、设计、优化与实践实验方案的过程，深化了自主合作探究与创造性解决问题的能力。
（二）评价目标
（1）通过碳酸钠与盐酸反应的实验现象的分析过程，诊断并发展学生“宏微结合”认识物质转化的思路结构化水平（分类概括、解释说明、预测验证）与定性定量分析问题的水平。
（2）通过有无气泡的猜想分析与实验方案的设计讨论过程，诊断并发展学生证据推理的能力（举证水平、推理水平、论证水平）与科学探究的水平（模仿探究、合作探究、自主探究）。
（3）通过解决氢离子浓度局部过大问题的实验装置设计，诊断并发展学生创新意识的水平（问题意识、批判质疑、创意论证）。
四、教学设计与评价思路
知识线 问题线 任务线 活动线 素养线
碳酸钠与盐酸的反应原理 气泡产生与未产生的原因？ 提出假设并设计实验方案证明或证伪 讨论并提出假设 宏观辨识 微观探析 证据推理
设计方案进行实验
如何解决c(H+)浓度局部过大的问题？ 设计合适的方案进行实验 讨论 科学探究
设计方案
实验探究
如何设计更优化的实验装置？ 请设计更优化的装置解决问题 查阅资料 创新意识
优化方案
实验探究
五、实验器材与实验创新设计
（一）相关器材：
花青素指示剂（用乙醇浸泡紫甘蓝获得）；半透膜（鸡蛋膜）；0.5mol/L、0.1mol/L、0.01mol/L碳酸钠；0.5mol/L、0.1mol/L、0.01mol/L盐酸；磁力搅拌器；朗威pH传感器、胶头滴管、烧杯、试管、蒸馏水。
（二）实验创新设计：
（1）现象直观。花青素指示剂的三种变色情况和pH曲线的两次突变可以直观显示碳酸钠与盐酸反应的两个阶段。前者从定性角度，后者从定量角度，如此由浅入深地认识碳酸钠与盐酸的反应原理。
（2）操作简便。实验装置简单，学生易操作，使用的半透膜可以让盐酸缓慢地与碳酸钠溶液反应，实现反应在第一阶段无气泡，第二阶段有明显气泡，有效解决氢离子浓度局部过大的问题。
（3）材料易得。花青素来自生活中的紫甘蓝，半透膜用的鸡蛋膜。
（4）设计了高水平的实验探究活动。将实验的创新与碳酸钠和盐酸的反应原理探究有机融会到一起，系统性地发展学生的化学学科核心素养。
六、教学过程
【发现问题】
学生在做碳酸钠与盐酸反应的实验中，发现有的产生气泡，有的未产生气泡，于是提出假设。（见图1）
图1 学生提出的假设
【探究一】
教师：针对假设1、2，关键在于判定是一步还是两步反应。
学生：从理论推断，假设1中溶液里存在的主要微粒是碳酸根与碳酸，根据所学，两者不能共存，所以假设1不成立，如此连带假设4不成立。
学生：针对假设2、3，可对无气泡试管进行振荡或加热操作。
学生：若振荡产生气泡，则假设2成立，若振荡无气泡，再滴加盐酸有气泡，则假设3成立。
有学生查阅资料，发现加热会让碳酸氢钠溶液分解，从而排除加热操作。
图2 振荡操作和加盐酸操作
学生：根据实验现象，得出结论，假设2和3成立。（见图2）
学生：仅从理论推断，否定一步反应，是否过于武断？
教师：那你有什么更好的想法吗？可以谈谈你的想法，进行更精准地论证。
学生：可通过证明假设5来进一步确认是两步反应而非一步反应。此时可用酚酞或石蕊试剂的变色现象来证明，即向滴有酚酞或紫色石蕊的碳酸钠溶液中滴加盐酸，观察现象。
图3 实验现象
学生：往滴有酚酞的碳酸钠溶液滴加盐酸后，上方红色褪去，有气泡产生。而滴加石蕊的组，下方蓝色，中间浅蓝，上方浅红，有气泡产生。如此证明假设5成立。（见图3）
教师：此两者虽能证明局部氢离子浓度过大，但不能有效表现两步反应的特征。
学生查阅资料，发现花青素指示剂效果极佳，决定用它指示反应阶段进行实验。（见图4）
图4 花青素指示剂相关资料
学生：对比可知，花青素效果最佳，能指示反应的分步阶段（蓝色区域无气泡，红色区域有气泡），同时其上层颜色变化以及有气泡说明氢离子浓度局部过大。（见图5）
图5 花青素与其他两种指示剂的效果对比
教师：综合上述的证据，确实能够确定——碳酸钠与盐酸的反应是两步进行。
【探究二】
教师：那如何解决c(H+)局部过大问题，从而完整展示碳酸钠与盐酸的两步反应阶段呢？
学生：可用低浓度的盐酸和碳酸钠溶液反应，并结合磁力搅拌器进行搅拌。
实验效果——虽然解决了氢离子浓度局部过大问题，但产生气泡的现象极其不明显。
教师：如何在解决氢离子浓度过大的问题的同时，让气泡在第二步反应时明显产生呢？
【探究三】
学生：调整浓度和搅拌辅助都不能从本质上改变盐酸进入碳酸钠溶液中的方式。
学生查阅相关资料，发现——鸡蛋膜做的半透膜能让盐酸中的氢离子稳定缓慢的向外释放，可以有效地解决了氢离子浓度局部过大的问题，同时应能产生明显气泡。
学生：我觉得可以这样——将盐酸加入半透膜中，放入碳酸钠溶液里，配合磁力搅拌装置，并用花青素指示剂表现溶液pH变化。
图6 改进装置的实验现象
学生：溶液颜色从绿色变为蓝色，最后红色。半透膜表面有气泡产生。相同条件下，对比无半透膜组，使用半透膜可以产生明显气泡。在绿色阶段溶质主要为Na2CO3；在蓝色阶段，溶质主要为NaCl和NaHCO3；在红色阶段溶质主要为NaCl。可见，该装置成功解决了氢离子浓度局部过大的问题，同时产生了明显气泡。（见图6）
【拓展延伸】
学生：有什么好的方法，能知道反应产生CO2时，溶液pH的大概范围？
教师：可以使用pH传感器监控反应过程中溶液pH变化。
图7 不同浓度的碳酸钠与盐酸反应的pH曲线变化图
教师：不同浓度的碳酸钠与盐酸反应，皆在pH等于8.8左右产生第一次突变。具体实验的原理，有待我们以后深入研究。（见图7）
七、教学效果反思
在本节的科学探究中，从四个维度建构学生的化学学科核心素养，达成了较好的效果。（见图8）
图8 素养达成维度
除此之外，本实验现象直观，操作简便，材料易得，开展了高水平探究活动。（见图9）
图9 实验效果
学生觉得，直观的现象与微观微粒的变化如此紧密地联系在一起，是如此地有趣。而且遇到问题，要积极探究，合理论证，兼听讨论，才能得出正确的结论。

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