二氧化碳制備與性質實驗的一體化設計

周文榮 陳玲

摘要： 在分析二氧化碳制備與性質實驗地位和作用的基礎上，將教材中的4個實驗進行了一體化的整合設計。詳細介紹“二氧化碳制備與性質”實驗的裝置改進過程以及利用該裝置可以進行的系列實驗，從操作連續、實驗整合、隨制隨停、實踐體驗和裝置他用五個方面分析了改進實驗的特點。

關鍵詞： 二氧化碳的制備與性質; 一體化實驗; 實驗探究

文章編號： 10056629（2020）10006504

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

滬教版九年級化學教材[1]第2章第2節中的“二氧化碳的制備與性質”，是鞏固和拓展“氣體的制備和性質”的重要內容。

1 一體化實驗設計的背景分析

1.1 教材實驗的編寫

教材中關于二氧化碳的制備與性質共編寫了4個實驗[2]，分別見圖1、圖2、圖3、圖4。

教材實驗通過圖1的“觀察與思考”讓學生基于現象分析二氧化碳與水反應的性質，通過圖2、圖3、圖4的“活動與探究”讓學生通過活動探究二氧化碳的制備、檢驗和驗滿的方法以及二氧化碳的性質和用途，逐步引領學生構建二氧化碳的知識體系。圖1、圖2、圖3三個不同的產生二氧化碳的裝置有助于學生對“固液不加熱型”氣體發生裝置模型的辨析、認知和理解，四個實驗的獨立設置有利于分課時循序漸進的學習安排，“觀察與思考”“活動與探究”有益于學生證據推理、科學探究等素養的發展。

1.2 一體化實驗設計的可能性

教材實驗對于分課時的新授課教學具有非常重要的意義，也給4個實驗的一體化設計留下了發展的空間。

（1） 教材中的4個實驗，采用了三套獨立的裝置產生二氧化碳，操作較繁瑣，耗時較長。尤其對于復習課，學生需要重構二氧化碳的知識體系，需要將教材實驗進行高度整合和拓展深化，教材中4個相互割裂的實驗已經不能滿足這種需求，這就使將氣體的制備與性質實驗有效整合、將教材4個實驗合理重組進行一體化設計成為可能。

（2） 教材中二氧化碳的發生裝置無法實現反應的隨制隨停，造成藥品浪費，不經濟，不低碳。完善氣體發生裝置的設計，實現隨制隨停是實驗綠色化的基本要求。

（3） 教材實驗基于教學的需要一般采用的是傳統的實驗室器材，本改進利用某些生活器材設計實驗裝置，因此考慮讓學生在家里完成一些居家小實驗將成為可能。

2 一體化實驗裝置的制作過程

受“探究二氧化碳性質實驗的改進”[3]“二氧化碳溶于水的實驗設計”[4]等文獻的啟發，對教材中4個實驗進行了一體化的整合設計。

2.1 裝置制作所需用品

帶蓋的大號塑料瓶2個（容積1L，底面直徑80mm且型號相同，蓋子可兼用）、帶蓋的中號塑料瓶1個（容積250mL，底面直徑60mm）、小號塑料瓶1個（容積160mL，底面直徑50mm）、玻璃導管4～5根（或塑料吸管）、剪刀、10mL帶針頭的塑料注射器2個、2cm乳膠管4根、熱熔膠槍1把、熱熔膠1～2根

2.2 二氧化碳發生裝置的制作

如圖5所示，取帶蓋的大號塑料瓶，剪取下半部分作為盛放鹽酸的容器（蓋子留著備用）。另取帶蓋的中號塑料瓶，在瓶底用剪刀戳幾個小孔，注意保證孔的大小能使稀鹽酸進入，不能使選用的塊狀大理石漏出。在塑料瓶蓋上戳一個小孔，插入彎玻璃導管（或塑料吸管），瓶蓋與導管接觸處用熱熔膠密封。在導管另一端連上帶有止水夾的乳膠管。

2.3 二氧化碳收集及性質實驗裝置的制作

如圖6所示，取大塑料瓶，在左側中下部戳一個小孔，插入玻璃導管（或塑料吸管），瓶內彎導管管口朝上。在大塑料瓶的右側，與左側瓶內導管管口位置等距離的上下部位各戳一個小孔，插入玻璃導管。在右側上部再戳一個小孔，插入玻璃導管，將所有導管與塑料瓶接觸處用熱熔膠密封。在右側三個導管上接上乳膠管、止水夾和另一段導管，其中最上面接的是長導管，可插入小塑料瓶中。

取另一大塑料瓶瓶蓋，用熱針頭在瓶蓋上燙兩個小孔，需要瓶外添加試劑時先在注射器里吸入所需試劑，插入注射器，具體裝置如圖7所示。

2.4 一體化實驗裝置的組裝

利用生活器材設計“二氧化碳的制備與性質”的一體化實驗裝置如圖8所示，將圖5和圖6裝置通過橡皮管連接，如果需要瓶外添加試劑可將中間大號塑料瓶瓶蓋換成圖7裝置。

3 利用裝置完成系列實驗的操作步驟和現象

實驗1 如圖9所示，打開止水夾K1、 K2、 K3，關閉K4，在K2、 K3導管出口處各放一支燃著的蠟燭，將裝有大理石的中號塑料瓶放入裝有稀鹽酸的大塑料瓶底中，反應一會兒觀察到K2處的蠟燭熄滅，關閉K2，一會兒K3處的蠟燭也熄滅。

實驗2 關閉K3，打開K4，觀察到小塑料瓶中澄清石灰水出現渾濁。

實驗3 如圖10所示，關閉K4，斷開通入澄清石灰水的導管，打開大塑料瓶的瓶蓋，伸入粘有干燥和濕潤的兩段藍色石蕊試紙的玻璃棒，一段時間后取出玻璃棒，對比兩段石蕊試紙的變色情況。

實驗4 在大塑料瓶口放一支燃著的牙簽檢驗二氧化碳是否收集滿，如果觀察到燃著的牙簽熄滅，說明已收集滿。

實驗5 用事先準備好的兩支注射器里分別裝有10mL蒸餾水和10mL 2mol/L氫氧化鈉溶液的圖7裝置擰緊瓶蓋，關閉K1，斷開K1處的連接，注入10mL蒸餾水，充分振蕩，觀察到大塑料瓶略微變癟（如圖11所示）。再用另一個注射器注入10mL氫氧化鈉溶液，充分振蕩，觀察到大塑料瓶比剛才變癟更明顯，且瓶身明顯變熱（如圖12所示）。

4 一體化實驗裝置設計的特點

（1） 操作連貫，效率提升。

利用一體化實驗裝置可以將教材中4個實驗連成一體，操作連貫，一氣呵成，既減少了分開實驗重復繁瑣的操作步驟，又大大節約了教學演示的時間，提高了課堂學習的效率。

（2） 高度整合，發展思維。

上述實驗在第二章4個實驗的基礎上，增加了第七章二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應等實驗，既將學科知識進行了高度整合，又將制備和性質的裝置進行了適當變型，促進學生將教材中有關二氧化碳的知識體系和實驗裝置在充分認知的基礎上進行遷移應用，拓展和提升了學生的思維品質。

（3） 隨制隨停，節約環保。

通過將中號塑料瓶放進和拿出，讓固體和液體兩種藥品接觸和分離，從而控制反應開始和結束，實現了反應的隨制隨停，節約了藥品。實驗結束后，大塑料瓶底的鹽酸廢液和小號塑料瓶中的廢液混合，進行預處理，更加環保。

（4） 變廢為寶，居家實踐。

實驗裝置所用的主要材料是生活中常見的塑料瓶、塑料吸管等物品，器材易得，來源豐富，制作簡便。學生還可以利用雞蛋殼、酸醋、蠟燭、牙簽等物品進行一些家庭小實驗，通過學生的親身實踐，激發學生獨立實驗的興趣和不斷創新的熱情。

（5） 裝置的多用途。

實驗裝置與傳統的玻璃儀器相比，塑料制品輕便且不易破損，裝置可重復利用，但每次實驗前需要再次檢查裝置氣密性，塑料瓶身如果漏氣要再次用熱熔膠密封。同時，初中化學學習中該裝置還可用于雙氧水制氧氣、實驗室制氫氣等實驗，讓該裝置能夠在多種場合中使用。

參考文獻：

[1][2]王祖浩主編. 義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M]. 上海： 上海教育出版社， 2012： 42～44.

[3]陳繼清. 探究二氧化碳性質實驗的改進[J]. 中小學實驗與裝置， 2018， （5）： 41.

[4]李德前. 二氧化碳溶于水的實驗設計[J]. 化學教學， 2003， （6）： 12.