基于“科学探究与创新意识”的化学实验设计*
——以质量差法测定咖啡中碳酸氢钠含量为例

马怀蕊，王建坤，杨艳华**，杨春香，李曼弯

(1.昆明学院 化学化工学院，云南 昆明 650214；2.迪庆藏族自治州民族中学，云南 香格里拉 674499；3.蒙自市第一高级中学，云南 蒙自 661100)

科学探究是一种有效的学习策略，有利于激发学生对科学的浓厚兴趣和对科学学习的积极动机，培养科学态度和创新精神[1]。因此，在师范生教育过程中，要注重培养学生发现和提出有探究价值的化学问题，能依据探究目的设计优化实验方案，完成实验操作，能对观察记录的实验信息进行加工并获得结论[2]。在保证学习任务和学习活动基本价值的基础上开展探究式教学，是当前教学育人价值的具体表现形式之一。

碳酸氢钠(NaHCO3)俗称小苏打，广泛应用于治疗胃酸过多的药物、烘焙使用的发酵剂和灭火器中，其与酸性物质或加热时会产生CO2。许多教学人员基于这样的性质，进行了富有成效且有教育意义的探究式教学实验[3]。例如，将啤酒、雪碧和可乐与NaOH溶液反应生成Na2CO3，再与盐酸溶液反应生成NaHCO3，最后用盐酸溶液滴定生成的NaHCO3产生CO2，进而测定出啤酒、雪碧和可乐中的CO2含量[4-6]。然而，滴定过程中需要使用酸碱指示剂显示滴定终点，学生对指示剂颜色变化的敏感度和辨识度较差，影响滴定结果，导致测定结果误差偏大。并且，探究实验时间较长，不利于开展实际教学。虽然可以通过抽气法除CO2[7]，缩短时长，但是抽气过程中会抽走一部分水蒸气，影响实验结果。

此外，对于像即溶咖啡饮品这样颜色较深的液体，就不能采用滴定法和抽气法测定其NaHCO3含量。虽然包装上的营养成分标明了每 100 mL 含钠 55 mg，但元素含量并不能代表化合物含量[3]，因此，需要探索一种新的实验方法和简便的实验设计，测定即溶咖啡饮品中的NaHCO3含量。

1 实验原理

NaHCO3受热易分解，反应方程式如下：

产生的CO2通入NaOH溶液中，反应方程式如下：

先称量NaOH溶液的质量，记为m1，实验结束后再次称量质量，记为m2，两者的质量差即为产生的CO2，而CO2中的碳元素全部来源于NaHCO3，因此，可计算出NaHCO3的质量，计算公式如下：

2 实验部分

2.1 仪器与药品

烧杯、量筒、三口反应瓶、滴瓶、玻璃棒、磁力搅拌子、冷凝管、鼓泡器、橡胶管。电子分析天平、恒温油浴锅。

浓H2SO4为分析纯，购于南京化学试剂股份有限公司。NaOH为分析纯，购于上海麦克林生化科技有限公司。雀巢醇香原味低糖咖啡购于昆明学院后勤超市，蒸馏水为实验室制取。

2.2 NaOH溶液配制

称取 3.0 g NaOH于 50 mL 烧杯中，加入 15 mL 蒸馏水溶解，冷却至室温时，转移至滴瓶中，并将滴瓶滴管的红色橡皮胶头移除，称量质量，记为m1。

2.3 实验组NaHCO3含量测定

如图1所示，安装实验装置，并检查气密性。在 250 mL 三口反应瓶中分别加入一包市售雀巢醇香原味低糖咖啡(15 g)和 100 mL 蒸馏水，放入磁力搅拌子搅拌，并在 130 ℃ 的恒温油浴锅上加热，当不再有气泡产生时，停止搅拌。再次称量滴瓶和滴管的总质量，记为m2。平行测定3次，实验数据如表1所示。

代入公式，求三次实验的平均值，计算出mNaHCO3=17.68 mg，即为 17.68 mg/15 g。

本实验耗时约 3 h，对中学生来说实验时间较长，建议分小组合作进行。实验成功的关键在于实验装置的气密性和天平的灵敏性，在操作前需做重点强调。

图1 市售咖啡中NaHCO3含量测定实验装置图

表1 市售咖啡中NaHCO3含量测定实验数据

2.4 探究活动

NaHCO3是细小的白色晶体，且还有美白、清洁和杀菌的作用，因此，经加工后的小苏打牙膏不仅具有抗菌、缓解牙龈出血的作用，而且还能有效去除牙齿表面沉积物[8]，预防牙釉质和牙结石的产生。如图2为一款市售小苏打牙膏[9]，根据其功效和成分，回答下列问题：

图2 一款市售科达琳小苏打牙膏

1)此款小苏打牙膏具有减轻口腔异味的作用，这是由于NaHCO3的性质导致的。

2)像牙膏这样的凝胶状物质，能否根据以上实验方法测定其NaHCO3含量。若能，请设计实验步骤，测定该款市售牙膏中含有的NaHCO3质量。(可根据学校实际情况，选择其他市售小苏打牙膏，或分小组测定不同品牌小苏打牙膏中的NaHCO3含量。)

3 结论

本实验既有利于培养中学生实验操作能力和合作精神，也有利于培养实验探究意识，在实验过程中感受化学实验魅力。实验测定结果不一定非常准确，但是，通过分析前人的研究方法，引导学生发现问题和分析问题，最终找到适合的路径测定颜色较深物质中NaHCO3的含量，并且通过设计探究活动，进一步巩固学生基本知识和实验操作技能，学以致用，可更好起到激发学生探知欲望、培养实验创新意识的作用。