排水集氣法收集CO₂的實驗探究

張雷 董銀萍

摘要： 在分析了“CO2的收集”在中學化學教學中遇到的困擾的基礎上，巧妙利用三頸燒瓶、壓強傳感器、一次性注射器、導氣管等器具，設計了實驗裝置并進行了實驗探究。結果表明，可以用排水法收集CO2，且該裝置裝配簡單，實驗現象明顯。在實驗過程中，學生可以根據壓強傳感器的讀數變化規律，定量分析CO2氣體在水中的溶解性，證實用排水法收集CO2氣體的可行性，從而培養學生的科學探究能力和批判性思維意識。

關鍵詞： CO2的收集; 排水集氣法; 傳感器; 實驗探究

文章編號： 10056629（2019）1006703 ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ?文獻標識碼： B

1 問題的提出

氣體的收集是中學化學教學中的重點和難點，對于不易溶于水的氣體，例如H2、 O2等可用排水集氣法收集;而對于溶于水的氣體則要比較該氣體與空氣的密度，當氣體密度比空氣密度大時，用向上排空氣法收集，如CO2、 Cl2等;當氣體密度小于空氣密度時，則要用向下排空氣法收集，如NH3等。CO2的收集方法一直是中學化學的一個疑難點，在學生已有的認知中，CO2密度大于空氣密度，可溶于水且與水反應生成碳酸，因此只能用向上排空氣法收集，但在人教版九年級《化學》第一單元課題2中對于人體吸入的空氣和呼出的氣體的探究實驗中卻用排水法收集呼出的氣體[1]。這與學生的認知不符，易引起學生的疑惑： CO2究竟能否用排水法收集？多數教師在教學時也是采用模糊處理的方法，學生也只是機械的記憶，沒有進行太多的思考，很難真正地理解氣體的收集這一知識點。但在當前的學習中，用排水法收集CO2氣體的方法逐漸受到重視[2～4]，實際上自2007年起蘇州市的中考化學題就有意識地在這一問題上做了文章[5]?；诖?，本研究將使用數字化實驗設備，分析CO2氣體在水中的溶解性，深入探究排水法收集CO2氣體的可行性，幫助學生全面而深入地理解和掌握“CO2的收集”這一知識點。

2 實驗設計

在學習CO2氣體收集之前，學生已經知道用排水法可以收集人體呼出的氣體，掌握了氧氣的制備和收集方法，對氣體收集的基本原理和方法也有了初步的了解，但對于CO2氣體的收集方式還存在疑惑。基于此，本研究巧妙地利用一次性注射器、導氣管、三頸燒瓶等器具設計密閉實驗裝置，用壓強傳感器對體系中的壓強進行連續檢測。根據所測體系中壓強數據的變化，計算溶于水并與水發生反應而消耗掉的CO2的量，從而證明排水法收集CO2氣體的可行性。

3 實驗改進

3.1 原理

通過壓強傳感器分別測得充滿CO2氣體的三頸燒瓶內的壓強（P1）、向該三頸燒瓶中注入水時的瞬間壓強（P2）及隨著CO2氣體溶于水且與水發生反應，三頸燒瓶內的壓強逐漸發生變化，兩分鐘時體系的壓強（P3），則由于溶于水且與水發生反應而消耗掉的CO2量可以表示為P2-P3，占總量的比值為P2-P3P1。

3.2 實驗藥品與裝置

3.2.1 實驗藥品與儀器

碳酸鈣、稀鹽酸、自來水、250mL三頸燒瓶、250mL錐形瓶、橡膠管、玻璃導氣管、止水夾、注射器、壓強傳感器

3.2.2 實驗裝置

圖1為CO2氣體發生及收集實驗裝置圖。在圖1的錐形瓶中加入適量的碳酸鈣粉末，用注射器注入適量的稀鹽酸，通過導氣管將生成的CO2氣體通入三頸燒瓶中。最初，將壓強傳感器上的活塞A打開，使通入的CO2氣體將三頸燒瓶中的空氣排盡。隨著反應的進行，用一根帶火焰的木條放在活塞口A處，若火焰熄滅，說明三頸燒瓶中已充滿CO2氣體，迅速關閉活塞A，并用止水夾夾住導氣管B處，移去CO2氣體發生裝置，記錄此時壓強傳感器的數據P1;再用注射器抽取15mL水，通過活塞A迅速注入到三頸燒瓶中，記錄此時壓強傳感器的數據P2;隨著CO2溶于水并與H2O發生反應生成碳酸，體系的壓強逐漸發生變化，記錄反應兩分鐘之后壓強傳感器的數據P3。

改進的實驗裝置簡單且完全密閉，不會造成CO2氣體的泄露，測得的數據準確，便于在課堂上演示和學生親自動手實驗。

3.3 實驗過程與數據處理

3.3.1 實驗過程

（1） 向錐形瓶中加入適量的碳酸鈣粉末，并將吸取適量稀鹽酸的一次性注射器的針頭扎入軟木塞中，備用。

（2） 按實驗裝置圖1組裝儀器。

（3） 檢查裝置氣密性。用壓強傳感器中自帶的注射器通過活塞口A向三頸燒瓶注入50mL空氣，并一直壓住注射器。若壓強傳感器的讀數先變大后保持不變，證明實驗裝置的氣密性良好。

（4） 打開活塞A，將針筒中的稀鹽酸迅速注入錐形瓶中，反應開始后用帶火焰的木條放在活塞A處，火焰熄滅時，迅速關閉活塞A，并用止水夾夾住導氣管B處，移去CO2氣體發生裝置。

（5） 用壓強傳感器自帶的注射器通過活塞口A向三頸燒瓶中注入15mL水，觀察并記錄兩分鐘之內體系的壓強變化情況。

3.3.2 數據處理

在實驗過程中，從三頸燒瓶中充滿CO2氣體并關閉活塞A開始計時，每隔1s記錄一次壓強傳感器的讀數，并記錄于表1中;圖2更清晰地顯示出了體系壓強隨時間的變化趨勢。

由表1及圖2可以看出，當三頸燒瓶中充滿CO2氣體時，體系的壓強為106.94kPa，記為P1;當向三頸燒瓶中注入水的瞬間，體系的壓強達到110.60kPa，記為P2;之后，隨著CO2氣體與水的反應，三頸燒瓶中的壓強逐漸減小，在兩分鐘之后體系壓強減小到110.03kPa，并基本保持恒定，記為P3。由反應過程中體系壓強的變化可知，CO2氣體溶于水且與水反應消耗的量為ΔP=P2-P3=0.57kPa，故消耗的CO2的量約為收集到的CO2氣體總量的0.53%（α=ΔP/P1）。

由上述實驗結果及數據分析可以看出，在充滿250mL CO2氣體的三頸燒瓶中注入15mL水，兩分鐘之內僅有約0.53%的CO2氣體溶于水并與水發生反應，而已有的研究結果表明用排水集氣法收集滿一集氣瓶（170mL）CO2氣體所需要的時間不足50秒[6，7]?；诒狙芯康膶嶒灲Y果，可推測在不足50秒的收集時間之內，CO2氣體的損耗率將更低于0.53%，幾乎可以忽略不計，因此完全可以用排水集氣法收集CO2氣體。

4 “排水集氣法收集CO2氣體”實驗的優點

4.1 實驗裝置簡單，操作簡易

實驗裝置所用的三頸燒瓶、錐形瓶、一次性注射器、導氣管、止水夾、壓強傳感器等均為實驗室常見器具，可在課前提前搭建好實驗裝置，準備好一針筒稀鹽酸和一針筒水，課堂中只需將稀鹽酸注入錐形瓶，待收集滿CO2氣體后再注入水即可，不受條件限制，幾乎可在所有的中學課堂中使用。

4.2 現象明顯，實驗耗時短

稀鹽酸和碳酸鈣反應劇烈，只反應幾秒鐘產生的CO2氣體即可充滿三頸燒瓶，注入水之后通過壓強傳感器觀察反應體系中壓強的變化，記錄兩分鐘之內體系壓強的變化情況;反應過程中，體系的壓強呈現明顯的先增后降并逐漸趨于穩定的變化趨勢。最后，通過壓強傳感器讀數的變化和計算即可證明CO2氣體可用排水集氣法收集，整個實驗過程只需2～3分鐘。

4.3 該實驗可做進一步改進

本研究只探究了250mL CO2氣體溶于15mL水中時的損失情況，在實際教學過程中，可將學生分成若干小組，分別探究不同體積的CO2氣體溶于不同體積的水中的情況，讓學生體驗完整的科學探究過程，培養學生的科學探究能力[8]。

5 小結

本研究采用數字化實驗設備定量地分析了排水集氣法收集CO2的科學性和可靠性，實驗裝置簡單，操作方便，實驗現象明顯。將該實驗方案用于“CO2氣體的收集”的教學中，可以對教材中模糊處理的知識點進行直觀呈現，充分激活學生已有的知識經驗，通過創新性思維，生成真正屬于自己的個體知識，拓展教材的思想和內涵，突出實驗的教學作用。通過實驗探究，在完成知識與技能教學目標的同時，培養學生的批判性思維意識，有利于學生化學學科思想方法的形成。

參考文獻：

[1]王晶主編. 義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級·上冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 14.

[2]伍強. 飽和碳酸鈉溶液和二氧化碳氣體反應實驗的研究[J]. 化學教學， 2014， （11）： 56～58.

[3]郁學梅. 實驗室二氧化碳氣體的收集及檢驗方法再研究[J]. 化學教學， 2014， （7）： 65～66.

[4]劉鳳俠， 孫玉明. 用排水法能收集二氧化碳氣體嗎[J]. 農村青少年科學探究， 2010， （12）： 18～19.

[5][7]毛明. 關于二氧化碳的兩種實驗室收集方法的教學研究[J]. 化學教學， 2013， （5）： 58～60.

[6]薛青峰. 基于問題導引圖示教學法的實踐與反思——以“從鋁土礦到鋁合金”教學為例[J]. 化學教學， 2017， （6）： 57～59.