實驗室制取二氧化碳的條件探索

徐林 唐亞文

摘要：針對無機化學中的經典實驗“二氧化碳制備及其相對分子量的測定”進行了改進。探討了鹽酸濃度與二氧化碳發生量與發生速率之間的關系。結果表明：二氧化碳的生成量與鹽酸濃度成正比，鹽酸的利用率與鹽酸濃度成反比。4mol/L的鹽酸與碳酸鈣反應制備二氧化碳，能夠獲得較快和相對平穩的氣體發生速率。經過改進后的實驗能夠減少1/3的鹽酸用量，同時大大降低了由于廢液排放而造成的環境污染。

關鍵詞：二氧化碳;鹽酸;石灰石

文章編號：1008-0546（ 2019） 11-0091-02

中圖分類號：G.633.8

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2019.11.025

無機化學實驗是一門實踐性的獨立課程，不僅是驗證理論知識，更是通過實驗教學，培養學生觀察、分析、推理、判斷、歸納總結的能力，訓練科學的實驗方法和技能，培養獨立工作和解決問題的能力[1]。但在實際的教學過程中，我們發現傳統的無機化學實驗教學中存在著某些明顯的不足，如藥品用量較大、實驗現象不明顯等。如何對現有的無機化學實驗進行改進從而有效降低藥品的用量，減少實驗產生的廢液對降低環境污染非常有意義。

“二氧化碳制備及其相對分子量的測定”是無機化學中的經典實驗[2]。教材中用6mol/L的鹽酸與石灰石反應制備CO2。實際教學過程中發現該實驗存在幾個問題[3]：1、浪費嚴重。實驗結束后的廢液中含有大量未反應完的鹽酸，回收困難。同時，作為廢液處理既造成環境污染，又大大增加了實驗成本。2、反應生成的CO2含有大量的HCl氣體。本文希望對實驗條件進行優化，探討鹽酸濃度對氣體發生量和發生速率的影響，從而降低實驗成本，減小環境污染，提高教學效果。

一、實驗過程

將過量的石灰石（主要成分為碳酸鈣）置于啟普發生器中，分別加入1、2、3、4、5、6mol/L的鹽酸溶液400mL。利用排水集氣法收集產生的CO2。

二、結果與討論

圖1為不同濃度鹽酸與碳酸鈣反應收集到的C02體積與時間關系。圖1顯示，在反應初期，隨著反應時間延長，CO2發生量逐漸增大。6mol/L的鹽酸溶液與碳酸鈣反應的初始速度盡管較快，但5min后曲線很快趨于平緩，CO2的發生量明顯下降，因此在實驗過程中，如果采用6 mol/L的鹽酸溶液與碳酸鈣反應，必須控制好相應的反應時間。從圖1中還能清楚地觀察到，隨著鹽酸濃度逐漸增加，收集到的CO2體積也逐漸增大。當鹽酸濃度增大到4 mol/L以上時，收集到的CO2的體積變化不再明顯。因此實驗過程中，可能使用4mol/L鹽酸更加合適。

圖2為相同體積下，不同濃度鹽酸與碳酸鈣反應所收集到的二氧化碳的發生速率與時間的關系。由圖2可以看出，隨著反應進行，二氧化碳的反應速率卻在不斷下降。6mol/L的鹽酸與碳酸鈣反應的初始速度盡管較快，但5min后反應速率迅速下降。而4mol/L的鹽酸與碳酸鈣反應速率比較平穩，因此選用4mol/L鹽酸可能更加合適。

表1為相同體積（400mL）、不同濃度的鹽酸與石灰石反應所制備的二氧化碳的體積及鹽酸的利用率。6mol/L的鹽酸與石灰石反應的利用率僅僅72.1%，隨著鹽酸濃度的降低，二氧化碳的體積也隨之減小，但鹽酸的利用率卻在增加。由于產物氯化鈣的溶解度較大（30°，102g）[4]，可以排除產物析出的影響。因此，影響其產率的主要原因與高濃度的鹽酸中的HCl氣體容易隨著CO2逸出有關。綜合考慮，實驗室制備二氧化碳時鹽酸濃度以4mol/L為宜。

三、結論

本文探討了鹽酸濃度與二氧化碳發生量與發生速率之間的關系。結果表明：

1、二氧化碳的生成量與鹽酸濃度成正比，鹽酸的利用率與鹽酸濃度成反比。

2、4mol/L的鹽酸與碳酸鈣反應制備二氧化碳，能夠獲得較快和相對平穩的氣體發生速率。

3、經過改進后的實驗能夠減少1/3的鹽酸用量，同時大大降低了由于廢液排放而造成的環境污染。

參考文獻

[1] 王新，唐亞文.“氫氣的制備”實驗教學內容探討[J].化學教與學，2010（5）：73-74

[2] 北京師范大學、華中師范大學、南京師范大學、東北師范大學無機化學教研室，無機化學實驗[M].北京：高等教育出版社，2004：77-79

[3] 陳冬梅.實驗室制取二氧化碳及其性質實驗的改進[J].實驗教學與儀器，2015（4）：27-28

[4]顧慶超，樓書聰.化學用表[M].江蘇科學技術出版社，1979：2.116來進行了串聯，呈現出化學在社會生活中的影響力，讓學生在課堂巾初步認識到學習和研究化學的意義所在。

參考文獻

[1]饒慧玲.對我國化學學科核心素養研究的梳理與淺析[J].中小學教師培訓，2017（11）：56-60

[2] 王云生.基礎教育階段學科核心素養及其確定——以化學學科核心素養為例[J].福建基礎教育研究，2016（2）：7-9

[3] 劉前樹.試論化學核心素養的結構[J].化學教育.2016.37（21）：4-8