二氧化碳制取和性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)分析及改進(jìn)方略

顏燕

摘 要：二氧化碳的制取和性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是初中階段重要的化學(xué)實(shí)驗(yàn)之一，但在課本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中還存在不連貫性、繁瑣性、不安全性等局限性，不利于教師的課堂演示和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，針對(duì)局限性，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置、藥品使用等方面進(jìn)行改良，設(shè)計(jì)更具有簡(jiǎn)潔性、連貫性、安全性、可操作性的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，使該實(shí)驗(yàn)方案更適用于課堂教學(xué)。

關(guān)鍵詞：二氧化碳制取；性質(zhì)檢驗(yàn)；優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

二氧化碳制取和性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是人教版九年級(jí)上冊(cè)教材第六單元的內(nèi)容，是課程標(biāo)準(zhǔn)中要求學(xué)生必須進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)的8個(gè)實(shí)驗(yàn)之一[1]，也是中考的高頻考點(diǎn)。在學(xué)習(xí)氧氣的制取和性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生對(duì)氣體發(fā)生裝置、收集裝置的選擇，氣體除雜和性質(zhì)探究等知識(shí)都有了一定的了解，為二氧化碳的制取和性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)奠定了一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。第七單元講解的氫氣制取和收集內(nèi)容與二氧化碳的制取和收集有相似之處，因此，二氧化碳的相關(guān)知識(shí)在課本內(nèi)容安排上處于承前啟后的地位。教師通常會(huì)以氧氣的制取為例來(lái)分析二氧化碳的制取，按照原理分析、裝置選擇、實(shí)驗(yàn)步驟、性質(zhì)探究的順序進(jìn)行，但不同的物質(zhì)性質(zhì)不同，實(shí)驗(yàn)方案也會(huì)有一定的區(qū)別，不能直接照搬。教材旨在使學(xué)生對(duì)二氧化碳的制取原理、裝置和性質(zhì)有簡(jiǎn)單、系統(tǒng)的理解，書(shū)本呈現(xiàn)的方案在現(xiàn)實(shí)教學(xué)操作中還存在一定的局限性。本研究將對(duì)書(shū)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及有關(guān)改進(jìn)方案進(jìn)行系統(tǒng)分析，并設(shè)計(jì)適合課堂教學(xué)使用的優(yōu)化方案。

1 教材實(shí)驗(yàn)及其改進(jìn)方案分析

1.1 教材方案分析

教材中提出的制取二氧化碳的收集裝置有如下兩種：a、b裝置都是最簡(jiǎn)單典型的固液常溫型發(fā)生裝置（見(jiàn)圖1），從裝置器材角度研究，其具有簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際教學(xué)操作中還存在如下局限性：兩裝置皆不能控制反應(yīng)的發(fā)生和停止，當(dāng)錐形瓶中液體過(guò)多時(shí)不利于二氧化碳?xì)怏w的導(dǎo)出，也會(huì)影響新加入錐形瓶中稀鹽酸的質(zhì)量濃度，從而影響二氧化碳產(chǎn)生的速度，甚至可能導(dǎo)致一部分液體被壓回長(zhǎng)頸漏斗或是橡膠塞被氣壓擠開(kāi)，埋下安全隱患。b裝置由于儀器限制無(wú)法在制取過(guò)程中及時(shí)添加藥品，無(wú)法滿(mǎn)足制取大量二氧化碳的需求。

教材將二氧化碳的制取和性質(zhì)檢驗(yàn)分為兩個(gè)課題，實(shí)驗(yàn)也分為兩個(gè)部分，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不連貫，耗時(shí)太長(zhǎng)，不利于課堂操作[2]。在進(jìn)行二氧化碳的性質(zhì)檢驗(yàn)教學(xué)時(shí)，教師需提前制取二氧化碳后轉(zhuǎn)移至演示教室，且按教材設(shè)計(jì)，對(duì)二氧化碳的量和份數(shù)有一定要求，在部分性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)里有一定的操作技巧但教材未詳細(xì)說(shuō)明，這些綜合因素將會(huì)造成如下問(wèn)題：（1）只注重讓學(xué)生學(xué)習(xí)最簡(jiǎn)單的制取二氧化碳的方法和收集方法，卻忽略了除雜過(guò)程；（2）未對(duì)利用實(shí)驗(yàn)室原理制得的以二氧化碳為主的混合氣體進(jìn)行除雜處理，從而造成對(duì)性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的錯(cuò)誤判斷；（3）未實(shí)現(xiàn)二氧化碳的現(xiàn)制現(xiàn)用，在出現(xiàn)連排課時(shí)制取時(shí)間緊張，且在運(yùn)輸途中容易逸散，不便于開(kāi)展多班級(jí)教學(xué)[3]；（4）需要的二氧化碳量不容易掌握，容易因二氧化碳不足導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗；（5）性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)分步較繁瑣，且部分實(shí)驗(yàn)需要一定的技巧才能成功，增加了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的理解和對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論進(jìn)行分析的難度。

1.2 改進(jìn)方案分析

通過(guò)文獻(xiàn)查閱發(fā)現(xiàn)，針對(duì)二氧化碳的制取和性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，前人已有許多創(chuàng)造性研究成果，并在實(shí)驗(yàn)裝置改造和藥品使用等方面提出了許多改進(jìn)方案，但這些方案有的偏向于將綠色化學(xué)融入實(shí)驗(yàn)方案，使用生活廢物利用的方法進(jìn)行家庭實(shí)驗(yàn)改良，使學(xué)生更容易獲得實(shí)驗(yàn)材料，在家開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。這類(lèi)方案簡(jiǎn)單便捷，適于學(xué)生開(kāi)展家庭小實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)他們的學(xué)習(xí)興趣，但不適用于課堂規(guī)范實(shí)驗(yàn)教學(xué)。有的改進(jìn)方案雖然裝置設(shè)計(jì)別出心裁，但并沒(méi)有將課本所要求檢驗(yàn)的二氧化碳基本性質(zhì)檢驗(yàn)完全，未能達(dá)到課堂教學(xué)的要求，且將二氧化碳在本課題中還未涉及的其他性質(zhì)放入方案探究，增加了教學(xué)量且對(duì)學(xué)生的要求提高，在拓展學(xué)生知識(shí)方面有積極意義，但增加了本課題的課堂教學(xué)壓力。還有的方案雖然在內(nèi)容和裝置上都改良得很完善，但操作過(guò)程晦澀難懂，不便于學(xué)生理解實(shí)施。

針對(duì)以上方案的不足，本項(xiàng)目提出下述優(yōu)化方案。

2 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

制取二氧化碳并為其除雜，驗(yàn)證二氧化碳與水反應(yīng)的產(chǎn)物能使石蕊溶液變紅、二氧化碳密度比空氣大、二氧化碳不燃燒也不支持燃燒、二氧化碳能使澄清石灰水變渾濁、二氧化碳能溶于水。

2.2 實(shí)驗(yàn)器材和藥品

器材：分液漏斗、錐形瓶、去蓋小藥瓶（生活中廢棄的）、橡膠塞、導(dǎo)氣管（直管和彎管）、粗銅絲、膠皮管、止水夾、干燥管、鐵架臺(tái)、三通管、火柴、5個(gè)小礦泉水瓶、棉花、藍(lán)色石蕊試紙、燒杯。

藥品：稀鹽酸、大理石、飽和碳酸氫鈉溶液、無(wú)水氯化鈣、澄清石灰水、蒸餾水。

2.3 實(shí)驗(yàn)原理

2.4 實(shí)驗(yàn)裝置

將實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆譃?個(gè)部分。發(fā)生裝置將教材實(shí)驗(yàn)a裝置的長(zhǎng)頸漏斗改成分液漏斗（見(jiàn)圖2）。實(shí)驗(yàn)時(shí)先將大理石放入錐形瓶中，從分液漏斗中加入稀鹽酸。在橡膠塞上加了一根與去蓋小藥瓶相連接的粗銅絲，粗銅絲可以上下抽動(dòng)，當(dāng)錐形瓶中液體過(guò)多時(shí)可以將粗銅絲下移，將一部分液體轉(zhuǎn)移到小藥瓶里。

除雜裝置為兩個(gè)依次連接的干燥管，實(shí)驗(yàn)時(shí)依次裝入蘸有飽和碳酸氫鈉溶液的棉花和無(wú)水氯化鈣，為防止氯化鈣固體被氣流帶入干燥管口造成儀器堵塞、排氣不暢，可在固體后放置一小團(tuán)棉花。該除雜裝置依次除去了二氧化碳中混有的氯化氫氣體和水。

性質(zhì)檢驗(yàn)裝置中使用了4個(gè)小礦泉水瓶，將4個(gè)瓶子分別從距離瓶口1/3高度的位置切下，留下剩余的2/3備用，取兩個(gè)礦泉水瓶的剩余部分，將底部各鉆10個(gè)小洞，在一個(gè)瓶底的內(nèi)側(cè)和另一個(gè)瓶底的外側(cè)都各放一張干燥的藍(lán)色石蕊試紙和一張濕潤(rùn)的藍(lán)色石蕊試紙，切口相對(duì)嵌套，然后用膠密封，且在距離兩個(gè)瓶底相同的位置剪一個(gè)恰好能插入導(dǎo)氣管的小洞，并插入一支導(dǎo)氣管，用膠密封，再向剩下的兩個(gè)礦泉水瓶備用部分中的一個(gè)滴入適量澄清石灰水，后將切口部分分別套在之前兩個(gè)瓶底的位置，其中，滴有澄清石灰水的位于下方，再用膠密封后將該部分利用膠皮管連接在三通管的一個(gè)分叉支管上。

2.5 實(shí)驗(yàn)步驟

2.5.1 檢查裝置氣密性

關(guān)閉分液漏斗活塞和性質(zhì)檢驗(yàn)裝置下方止水夾，打開(kāi)性質(zhì)檢驗(yàn)裝置上方止水夾，并將此處導(dǎo)氣管下端管口伸入燒杯中的液面以下，隔石棉網(wǎng)微熱錐形瓶，若導(dǎo)氣管口有氣泡冒出，停止微熱，導(dǎo)氣管中形成一段穩(wěn)定的水柱，說(shuō)明裝置氣密性良好。

2.5.2 裝藥品，再組裝儀器

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)總裝置步驟如下（見(jiàn)圖3）：

（1）將分液漏斗、帶小藥瓶的粗銅絲、導(dǎo)氣管依次安裝在帶孔橡膠塞上，再套入裝有大理石的錐形瓶口。

（2）將倒氣管依次連接蘸有飽和碳酸氫鈉溶液和裝有無(wú)水氯化鈣的干燥管，并將干燥管固定在鐵架臺(tái)上。

（3）利用三通管將檢驗(yàn)裝置連接在干燥管之后。

2.5.3 性質(zhì)檢驗(yàn)

打開(kāi)發(fā)生裝置中的止水夾，關(guān)閉性質(zhì)檢驗(yàn)裝置的上方止水夾，打開(kāi)下方止水夾，打開(kāi)分液漏斗活塞，滴入錐形瓶的稀鹽酸開(kāi)始與大理石反應(yīng)。一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)干燥的藍(lán)色石蕊試紙不變色，濕潤(rùn)的藍(lán)色石蕊試紙從下至上依次變紅，變色現(xiàn)象說(shuō)明二氧化碳自身不能使石蕊變色，是其與水反應(yīng)生成的碳酸使石蕊變色，由下至上的變色順序說(shuō)明二氧化碳密度比空氣密度大。下方澄清石灰水變渾濁，說(shuō)明二氧化碳能與澄清石灰水反應(yīng)而使其變渾濁。然后，關(guān)閉性質(zhì)檢驗(yàn)裝置中的下方止水夾，打開(kāi)上方止水夾，將點(diǎn)燃的火柴放在上方導(dǎo)氣管口，火柴迅速熄滅，說(shuō)明二氧化碳本身不能燃燒也不能支持燃燒。接下來(lái)，撤掉火柴，將一空軟礦泉水瓶放在該位置，用向上排空氣法收集一瓶氣體，之后向瓶里倒入約1/3體積的水，擰上瓶蓋振蕩，振蕩后，發(fā)現(xiàn)礦泉水瓶變癟，說(shuō)明二氧化碳能溶于水。

3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1 優(yōu)點(diǎn)分析

發(fā)生裝置部分分液漏斗的使用實(shí)現(xiàn)了對(duì)反應(yīng)發(fā)生的控制，將小藥瓶拴在可抽動(dòng)的銅絲上可以帶走部分多余液體，從而保持二氧化碳的制取速度并使二氧化碳能順利排出。

對(duì)于除雜裝置課本上未進(jìn)行設(shè)計(jì)講解，在課堂新課教學(xué)順序中其應(yīng)處于制取和性質(zhì)檢驗(yàn)之間，但由于這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)被分成了兩個(gè)課題，除雜問(wèn)題往往容易被忽略。制取所得的二氧化碳中混有水和鹽酸揮發(fā)出來(lái)的少量氯化氫氣體，但在許多習(xí)題和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中常常忽略了雜質(zhì)中的氯化氫氣體，這些都將對(duì)二氧化碳本身不能使石蕊變色，是其與水反應(yīng)生成的碳酸使石蕊變色這條性質(zhì)的檢驗(yàn)產(chǎn)生干擾。在班級(jí)流動(dòng)和分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，藥品移動(dòng)時(shí)液體藥品容易灑出，使用蘸有碳酸氫鈉飽和溶液的棉花比直接使用飽和碳酸氫鈉溶液更方便，也更安全，且減少了溶液使用量，所需裝置安裝也比較簡(jiǎn)單，在除雜的同時(shí)還產(chǎn)生二氧化碳，在一定意義上節(jié)約了原料藥品。常見(jiàn)的干燥方法為使用濃硫酸，濃硫酸有較強(qiáng)的腐蝕性，在學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用濃硫酸存在一定的安全隱患，換用無(wú)水氯化鈣固體藥品能達(dá)到干燥的效果且較為安全。

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)后將二氧化碳的制取、除雜、性質(zhì)檢驗(yàn)融為一體，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)思路的連貫性，也使得性質(zhì)檢驗(yàn)所用的二氧化碳較為純凈，減少了對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。二氧化碳即制即用，不需要提前收集，既避免了二氧化碳的逸散，也避免了課堂實(shí)驗(yàn)中二氧化碳的量準(zhǔn)備不足而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的尷尬局面。在教材中設(shè)計(jì)的性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)都是分步進(jìn)行的，較為繁瑣，且有些步驟容易失敗。比如教材利用燃燒的梯級(jí)蠟燭驗(yàn)證二氧化碳密度比空氣大、不燃燒也不支持燃燒的性質(zhì)，如若使用的二氧化碳量不夠或者傾倒的角度不合適都有可能出現(xiàn)蠟燭不熄滅或者上層蠟燭先熄滅的現(xiàn)象，失敗率高，而優(yōu)化實(shí)驗(yàn)將其與二氧化碳使紫色石蕊溶液變紅的性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)放在一起，不僅簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程且成功率增加，可操作性增強(qiáng)。教材在二氧化碳使?jié)駶?rùn)的石蕊試紙變色性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中使用了4朵小花進(jìn)行了5步操作檢驗(yàn)，過(guò)程較為繁瑣，且實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)較為簡(jiǎn)潔。

3.2 缺點(diǎn)分析

在發(fā)生裝置中，小藥瓶只能將液體取出一次，持續(xù)性還有待加強(qiáng)。其中，小藥瓶的規(guī)格應(yīng)視錐形瓶規(guī)格而定，選用材料時(shí)應(yīng)選用合適的規(guī)格。用性質(zhì)檢驗(yàn)裝置處理并安裝礦泉水瓶的同時(shí)要裝入藥品，處理時(shí)也要確保安裝后裝置的密封性，確保氣密性良好，且使用該裝置未證明碳酸易分解。

4 結(jié)語(yǔ)

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，基于學(xué)生剛接觸化學(xué)學(xué)習(xí)的初中階段背景，以教師在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)利用實(shí)驗(yàn)操作激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為基礎(chǔ)，以改善教材中二氧化碳的制取和性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)及其多種實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案中所存在的局限性為目標(biāo)，從實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)和藥品的使用著手，設(shè)計(jì)了更適合課堂教學(xué)且具有簡(jiǎn)潔性、連貫性、安全性、可操作性的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[M].2011年版.北京：人民教育出版社，2011.

[2] 唐麗華.制取二氧化碳及其性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2016，26（2）：37.

[3] 朱清勇，瞿生林.妙用廢礦泉水瓶改進(jìn)二氧化碳制取裝置[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2015，32（7）：110.