排水法收集二氧化碳可行性的實驗探究

洪碧瑜

摘要：從不同濃度稀鹽酸與石灰石反應、用排水法收集二氧化碳的實驗中獲取實證數(shù)據(jù)，結合手持技術對二氧化碳濃度進行測定，以優(yōu)化稀鹽酸濃度的視角，從二氧化碳收集數(shù)量、速率、收集率及所達到的濃度等方面，探討了排水法收集二氧化碳的可行性。

關鍵詞：排水法集氣；二氧化碳濃度測定；手持技術；可行性；實驗探究

文章編號：1005–6629（2016）7–0065–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

初中化學教材中二氧化碳氣體只提到用向上排空氣法收集[1]，許多老師在進行這部分知識的教學時，也認為二氧化碳可溶于水，因此不宜用排水法收集。但近年來，對此看法的質疑日漸增多，并有一些老師撰文對排水法收集的可行性進行了論證。這些文章更多的是從氣體收集的可行性角度，如二氧化碳水溶液中微粒的存在形式[2]、二氧化碳溶解時在水中的擴散速率[3]、二氧化碳溶解于水的速度實驗[4]及不同方法收集二氧化碳的純度比較[5]等方面進行論證；而涉及氣體發(fā)生的可行性，如實驗時所選擇石灰石形狀、稀鹽酸濃度的不同對排水法收集二氧化碳會造成怎樣影響等等的研究則相對較少。本文嘗試從反應物選擇的角度，從另一側面對排水法收集二氧化碳的可行性進行論證。

2 問題研究

2.1 排水法收集二氧化碳的實驗

利用圖1所示的裝置制取和收集二氧化碳（集氣瓶容積為145mL，錐形瓶容積為165mL）。

選用同批次的顆粒狀與塊狀石灰石分別與濃度為10%、7.5%、5%、2.5%、1%的稀鹽酸（每次用量均取70mL）進行實驗。每次制取實驗用容積為145mL的集氣瓶連續(xù)收集反應產生的氣體，并記錄收集每瓶氣體所用的時間，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

就本實驗獲取的數(shù)據(jù)來看，濃度為1%的稀鹽酸不能完成氣體的收集，濃度為2.5%的稀鹽酸收集的氣體偏少且耗時較長，因此，實驗制取時不宜采用這兩種濃度的稀鹽酸。僅從收集氣體的數(shù)量來看，其他三種溶質質量分數(shù)稀鹽酸均可用于制取二氧化碳的實驗。

用排水法收集氣體，還存在著一個收集率的問題。從理論上計算，70mL 10%、7.5%、5%的稀鹽酸最多產生二氧化碳的體積分別約為2241mL、1649mL、1099mL（二氧化碳的密度取1.429 g·L-1）。就表1的數(shù)據(jù)分析，各組實驗實際收集的二氧化碳與理論值之間存在的差異不盡相同（實驗收集到二氧化碳的瓶數(shù)乘以實驗用集氣瓶的容積即為實際收集的二氧化碳體積，沒有收集滿的一瓶沒有列入統(tǒng)計），具體情況如表2所示。

各組實驗相比而言，7.5%的稀鹽酸與顆粒狀或塊狀的石灰石反應產生氣體的收集率都達到了79%左右，氣體利用率符合氣體制取實驗的要求。從另一個角度上看，這兩組實驗，收集前6瓶氣體的平均用時分別為每瓶15.7秒和17秒，這與稀鹽酸濃度10%的兩組實驗相差不大，而且這樣的速度也達到氣體收集實驗的要求。

2.2 二氧化碳的濃度測定實驗

為進一步驗證排水法收集二氧化碳的可行性，以溶質質量分數(shù)7.5%的稀鹽酸和塊狀石灰石為反應試劑產生二氧化碳，利用濃度傳感器測定不同時刻從反應容器排出的氣體中二氧化碳的濃度，并通過數(shù)據(jù)采集器和計算機繪制濃度變化曲線，從而獲取實驗所需的相關數(shù)據(jù)，實驗裝置如圖2所示。

實驗過程中產生的二氧化碳通過一個倒置在水中的漏斗收集。石灰石與稀鹽酸反應的時間與對應排出氣體中二氧化碳濃度的數(shù)據(jù)通過與漏斗相連的傳感器進行測定，所得數(shù)據(jù)的圖像如圖3所示。

圖3顯示，反應過程中二氧化碳濃度的變化呈現(xiàn)四個主要時段：反應初期，二氧化碳濃度逐漸增大（每秒增加0.5%～1%）；接著快速增大（每秒遞增4%～5%）；然后又逐漸變緩（每秒增加0.5%～ 1%），最后趨于穩(wěn)定。結合實驗過程觀察到每一時段氣泡冒出的情況，將相關信息歸納如表3所示。

從表3可以看出，采用濃度7.5%的稀鹽酸和石灰石反應制取二氧化碳，用排水法收集到的氣體中二氧化碳的濃度最高可達到96.5%。為此，說明只有選擇合適濃度的稀鹽酸為反應物，采用排水法收集二氧化碳是完全可行的。利用濃度傳感器對濃度7.5%的稀鹽酸和塊狀石灰石反應并用排水法收集到的前四瓶氣體中CO2的濃度進行測定（所得數(shù)據(jù)如表4所示），數(shù)據(jù)表明即使是第一瓶收集的二氧化碳，其濃度也達到了52.6%，對于初中二氧化碳性質實驗而言，該濃度數(shù)值足夠滿足實驗要求。為證明這一點，繼續(xù)進行一組對照實驗，分別采用向上排空氣法和排水法進行收集二氧化碳，當收集15秒（排水法收集第一瓶二氧化碳的用時）后，用燃著的木條放在瓶口檢驗，發(fā)現(xiàn)采用排空氣法收集的二氧化碳沒能讓燃著的木條熄滅，而用排水法收集的能使燃著的木條熄滅。

2.3 結果與討論

2.3.1 制取二氧化碳稀鹽酸濃度的選擇

從表1看，并不是所有濃度的稀鹽酸可以用于實驗室制取二氧化碳，根據(jù)實際收集二氧化碳的數(shù)量來看，濃度1%和2.5%的稀鹽酸均不適合于實驗；濃度5%的稀鹽酸，只有采用與顆粒狀的石灰石反應，才勉強符合要求；而濃度為10%和7.5%的稀鹽酸，無論是與塊狀或顆粒狀的石灰石反應，均可滿足要求，且收集二氧化碳的速率二者差別不大。表2顯示，利用7.5%的稀鹽酸制取二氧化碳的收集率比10%的稀鹽酸高。結合考慮稀鹽酸濃度對氯化氫揮發(fā)的影響及原料的利用率等因素，濃度在7.5%左右（大小偏差約為1%）的稀鹽酸應是制取二氧化碳較為理想的反應試劑。這一結論的可靠性從表4的數(shù)據(jù)中也能得到證實，該數(shù)據(jù)顯示，利用7.5%的稀鹽酸制取并收集的二氧化碳，其濃度最少也能達到52.6%。

2.3.2 排水法收集二氧化碳的適宜時機

對于排水法收集氣體，還應考慮氣體發(fā)生裝置中的空氣是否對收集的氣體會造成影響，從而選擇開始收集氣體的時機。在氧氣的排水法收集中，有將氣泡連續(xù)均勻冒出25s定為收集氧氣適宜時機的研究[6]。從表3數(shù)據(jù)看，排水法收集二氧化碳，氣泡剛連續(xù)均勻冒出時，氣體的濃度并不高，只有7.88%，但在較短的時間內，濃度迅速增大到（88.6%），剛好與收集一瓶二氧化碳（145mL）的用時差不多。結合表4數(shù)據(jù)來看，即使是反應一開始就收集，得到的第一瓶二氧化碳仍符合實驗要求，我們可以推斷將氣泡連續(xù)均勻冒出確定為收集二氧化碳的時機是完全可行的。

2.3.3 有關實驗操作誤差的討論

在具體的實驗操作過程中，石灰石的產地、石灰石形狀及大小，加入稀鹽酸的方式、發(fā)生裝置中錐形瓶大小和導氣管長短等因素各不相同，對制取二氧化碳反應的速率、排盡發(fā)生裝置中空氣的時間等會造成一定影響，從而可能使該實驗所測得的數(shù)據(jù)存在一定的偏差。

3 結論

實驗表明，排水法收集二氧化碳是可行的，但對于制取二氧化碳的反應物有一定的條件要求。若采用塊狀或顆粒狀的石灰石與稀鹽酸反應制取二氧化碳，稀鹽酸的濃度不宜太小，選擇濃度7.5%（±1%）左右的稀鹽酸進行實驗效果較為理想。

參考文獻：

[1]王祖浩主編.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2014：43.

[2]陳明元.中學化學中二氧化碳溶于水的問題[J].化學教學，2014，（9）：93.

[3]鄭萍，陳明元.相平衡與二氧化碳在水中的擴散速率[J].貴州教育學院學報（自然科學版），2004，15（2）：70.

[4][5]郁學梅.實驗室二氧化碳氣體的收集及檢測方法再研究[J].化學教學，2014，（7）：65.

[6]張章錄.排水法收集氧氣時機選擇的實驗探究[J].化學教學，2015，（8）：75.