空氣中二氧化碳檢驗實驗的新改進

楊松耀

摘要： 針對用澄清石灰水檢驗空氣中二氧化碳實驗的不足，作思考、分析及實驗探究。用打氣筒替代注射器，小試管替代錐形瓶改進實驗裝置。利用該裝置，通過將空氣通入不同濃度和體積的澄清石灰水中進行試驗，發現澄清石灰水濃度越高、體積相對較小時，石灰水變渾濁的現象越明顯。改進后實驗操作簡便，實驗現象呈現快速且明顯。

關鍵詞： 空氣中二氧化碳檢驗； 澄清石灰水； 實驗改進

文章編號： 10056629（2018）9007503 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 教材實驗存在的問題

利用澄清石灰水檢驗空氣中二氧化碳氣體是浙教版義務教育教科書《科學》八年級下冊第三章第一節“空氣與氧氣”中的一個學生小組實驗活動。實驗利用注射器將空氣壓入裝有澄清石灰水的錐形瓶中，利用二氧化碳能使澄清石灰水變渾濁的性質來檢驗空氣中二氧化碳氣體的存在（實驗裝置如圖1所示）[1]。在學生實際活動過程中，利用教材裝置進行實驗，澄清石灰水變渾濁的時間比較長，一般需要五、六分鐘，個別學生組則需要十來分鐘才能觀察到比較明顯的變渾濁現象，而且實驗過程中需要將注射器不斷地與進氣導管連接和脫離，操作十分繁瑣。降低了學生對本實驗活動的興趣，也影響了課堂教學的效果與效率。

2 對空氣中二氧化碳檢驗實驗的思考

2.1 不同濃度和體積的澄清石灰水與二氧化碳作用變渾濁的效果的研究

根據吳文中[2]對澄清石灰水與二氧化碳的作用機理研究的結果，參考伍強等[3]對澄清石灰水與二氧化碳氣體反應探究的結果可以得到： 在飽和澄清石灰水中通入二氧化碳氣體時，氫氧化鈣飽和溶液的pH≈12.6，堿性較強，產生碳酸鈣沉淀難以溶解，容易觀察到溶液變渾濁；許燕紅等[4]研究表明相同濃度不同體積的澄清石灰水與二氧化碳氣體反應，出現渾濁現象的時間隨澄清石灰水的量的增加而增長。根據上述研究結果，建立兩個假設：

假設1： 相同體積的澄清石灰水，濃度越大，通入空氣后出現渾濁現象的時間越短，即如果通入相同體積的空氣，澄清石灰水濃度越高，變渾濁現象越明顯。

假設2： 相同濃度的澄清石灰水，體積越小，通入空氣后出現渾濁現象的時間也越短，即如果通入相同體積的空氣，澄清石灰水體積越小，變渾濁現象越明顯。基于這兩個假設，進行對比實驗。

（1） 石灰水濃度與渾濁現象明顯程度的關系。室溫下用注射器將3L空氣以同樣的速度緩緩通入2mL不同濃度的澄清石灰水溶液中，進行實驗（石灰水配制比例和實驗結果如表1所示）。根據實驗結果，可以發現石灰水濃度越高，通入等量空氣后，變渾濁現象越明顯，即假設1成立。

（2） 石灰水體積與渾濁現象明顯程度的關系。室溫下以同樣的方法用注射器將2L空氣以同樣的速度緩緩通入不同體積的飽和澄清石灰水溶液中。根據實驗結果，可以發現當澄清石灰水體積為1mL時現象最為明顯；溶液體積為1.5mL相對1mL現象稍有差別，變渾濁現象明顯；2mL的現象在此對比實驗中最不明顯，而體積為0.5mL的現象也明顯，但相對于石灰水體積為1mL，由于溶液體積過小，視覺效果稍差（具體如表2所示），為此假設2也成立。

2.2 二氧化碳與澄清石灰水反應原理分析

根據二氧化碳與澄清石灰水反應的原理： Ca（OH）2+CO2CaCO3↓+H2O，可以得出氫氧化鈣和二氧化碳反應物質的量之比為1∶1，以氫氧化鈣常溫下（20℃）的溶解度0.165克[5]計算可得，常溫下氫氧化鈣飽和溶液物質的量濃度為0.0223mol/L，若取氫氧化鈣飽和溶液1mL，根據空氣中二氧化碳的體積分數0.04%[6]計算，要使飽和澄清石灰水溶液中的氫氧化鈣全部轉化為碳酸鈣沉淀，至少需要空氣1.4L，而實驗過程中不可能使所有通入空氣中的二氧化碳氣體都與氫氧化鈣發生反應，所以實際通入空氣的體積比理論值要大得多。

2.3 空氣通入澄清石灰水中變渾濁時間長的原因分析

鑒于以上分析并結合在學生活動中出現的情況，筆者認為向澄清石灰水中通入空氣觀察變渾濁現象時間長的主要原因有以下四個方面：

（1） 空氣中二氧化碳含量太低。由于二氧化碳含量低，單次通入空氣時二氧化碳與氫氧化鈣反應產生的碳酸鈣量過少，這是造成實驗時間較長的主要原因。

（2） 錐形瓶體積大，裝有的澄清石灰水多。由于短時間內反應產生的碳酸鈣沉淀量少，在較多的溶液中肉眼不易辨別，現象不夠明顯。

（3） 澄清石灰水濃度問題。澄清石灰水久置后濃度極易變稀，在25℃環境下，靜置1天的飽和澄清石灰水濃度為1.12×10-2mol·L-1，幾乎僅為其飽和時濃度2.12×10-2mol·L-1的一半[7]，如果實驗不是采用新制的飽和澄清石灰水，則會因濃度過稀而使渾濁出現時間變長。

（4） 學生操作原因。在將注射器不斷與導管連接和脫離也需要消耗較多的時間，加上部分學生操作緩慢，更加延長了實驗活動的時間。

假如能用一種簡單的方法，將空氣持續不斷地通入少量的飽和澄清石灰水中，或許實驗現象將會既快速又明顯。根據這一思路，筆者對該實驗進行改進。

3 實驗的改進

3.1 實驗器材

小型自行車打氣筒、小試管、雙孔橡皮塞、橡膠管、玻璃導管、新制飽和澄清石灰水

3.2 實驗裝置

3.3 實驗步驟

（1） 按圖2連接實驗裝置。

（2） 向小試管中加入約1毫升澄清石灰水，并將雙孔橡皮塞蓋在試管口。

（3） 利用打氣筒將空氣通過導管緩緩壓入小試管，觀察澄清石灰水變渾濁現象，確認空氣中存在二氧化碳氣體。

3.4 實驗改進后的優點

（1） 器材易得，操作簡單易行。自行車打氣筒一般家庭都有，即使購買價格也比較便宜，且現在的打氣筒均配備多種打氣接口，非常方便與導管的連接。使用打氣筒替代注射器，避免了每次通氣時不斷連接與斷開的麻煩，極大地簡化了實驗的操作。

（2） 實驗現象明顯。雖然空氣中二氧化碳含量很低，但采用小試管和少量澄清石灰水，變渾濁現象較錐形瓶明顯。

（3） 有效縮短實驗時間。由于能持續通入空氣，一般1分鐘左右（100mL打氣筒，打氣20次左右）就能明顯觀察到澄清石灰水變渾濁的現象，與教材實驗5～10分鐘相比，實驗時間有效縮短，節省了課堂教學時間，便于開展更多的教學活動。

4 實驗注意事項

（1） 選用試管盡可能小，裝入的石灰水盡可能少。筆者通過對不同規格的試管、不同體積的溶液進行對比實驗后發現，利用規格為Φ12mm×70mm的試管、1mL澄清石灰水時，實驗現象最為快速明顯。

（2） 通入空氣盡可能緩慢，以便于空氣中的二氧化碳能與氫氧化鈣充分反應。

（3） 選用新制的飽和澄清石灰水。實驗過程中盡可能選用新制的飽和澄清石灰水，而且在配制時選擇蒸餾水，不要使用自來水進行配制，以排除其他離子的干擾。

（4） 如有必要，設置對照組。為了便于觀察，可以在通入空氣之前選擇兩支試管分別倒入等量的澄清石灰水，一支試管通入空氣，另一支作為空白。一段時間后與另一支進行對比，這樣效果更為明顯。

參考文獻：

[1][6]朱清時主編. 義務教育課程標準實驗教科書·科學（八年級下冊）[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2014： 70～71.

[2]吳文中. 澄清石灰水與二氧化碳的作用機理和實驗探究[J]. 化學教學， 2017，（8）： 50～54.

[3][7]伍強， 趙賢祥， 杜明桂. 澄清石灰水與二氧化碳氣體反應的探究[J]. 化學教學， 2018，（4）： 75～77.

[4]許燕紅， 張玉萍. 二氧化碳使澄清石灰水先渾濁后澄清的條件探究[J]. 化學教育， 2013，（8）： 68～69， 75.

[5]朱清時主編. 義務教育課程標準實驗教科書·科學（八年級上冊）[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2014： 28.