探究空氣中二氧化碳的實驗裝置新改進

摘要： 對比當下中學化學教材發現，某些實驗裝置進行實驗時會出現現象不夠明顯和效率低下等問題，如探究空氣中二氧化碳的實驗。通過對教材實驗的改進，利用單向閥實現大針筒反復地抽氣與送氣，同時在乳膠頭上扎小孔，大大增加空氣中的二氧化碳與裝置內澄清石灰水的接觸時間和接觸面積，縮短了澄清石灰水變渾濁的時間，提高了實驗效率。該實驗可作為分組實驗讓學生以探究方式實施。

關鍵詞： 單向閥； 二氧化碳； 實驗探究； 實驗裝置改進

文章編號： 1005-6629（2024）07-0066-03 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）明確指出，化學是研究物質的組成、結構、性質、轉化及應用的一門基礎學科，也是一門以實驗為基礎的學科［1］。實驗教學不僅要教會學生學會傳統的實驗操作和解決問題的能力，還要讓學生通過實驗獲取知識，培養科學與創新思維。然而，在幫助學生認識和建構空氣中存在二氧化碳這一事實時，當下各中學化學教材的處理方式并不一致。

1 教材分析

1.1 部分中學化學教材的對比

對當下部分中學化學教材關于空氣成分的呈現內容和方式做分析后發現，除浙教版外，其余四版教材對于空氣成分的編排比較相似。通過表1可以看出，魯教版和滬科版開篇就直接表述了空氣的成分，明確指出空氣中是存在二氧化碳的。而人教版和科普版則是在組織學生利用白磷燃燒法測得空氣中含有體積分數約為20%的氧氣后，以文本描述和餅狀圖相結合的方式告知學生空氣的成分及各成分的含量。從本質上看，四個版本的教材都是把空氣中存在二氧化碳這一事實直接告知了學生。顯而易見，浙教版教材的編排更加符合新課標的要求。

1.2 浙教版教材的編排

“空氣中究竟含有什么？這個問題曾經困擾了人

類很久”是浙教版教材空氣的成分學習模塊的第一句話。教材巧妙地以空氣中有哪些物質為核心問題來激發學生的學習興趣同時串聯學習內容，然后組織學生借助如圖1所示的實驗裝置，用大針筒把空氣壓入澄清石灰水中，最后引導學生通過觀察澄清石灰水是否變渾濁來確定空氣中是否存在二氧化碳［2］。

1.3 浙教版教材的立意

新課標倡導自主學習、合作學習和探究學習，其本質都是希望學生通過解決問題的方式來學習學科知識。教材如此安排不僅可以幫助學生在獲得知識的同時提高實驗操作技能，活躍科學思維，還能讓學生初步感受到物質性質決定物質用途的學科觀念。如二氧化碳具有使澄清石灰水變渾濁的性質，因此，若要檢測某物質中是否存在二氧化碳就可以用澄清石灰水來完成檢驗。當然，對于剛接觸化學的學生而言，教師可以把“二氧化碳具有使澄清石灰水變渾濁的性質”當作一個思維支架提供給學生。

1.4 浙教版教材實驗的不足

教材的編排雖很有創意，立意也很高遠，然而真正在課堂上按照這個裝置來組織學生實驗會出現很多問題。如盡管教材強調了使用大針筒將空氣壓入裝有澄清石灰水的裝置內，但實際上一次甚至十幾次推壓后也看不到澄清石灰水變渾濁，這樣的話學生就會產生空氣中是否存在二氧化碳的想法。而且教材裝置中的大針筒一次推壓完畢后，需要先取下吸入空氣后，再和裝置左側的導氣管連接，才能實現連續壓入空氣。很明顯，這樣的操作是非常低效和繁瑣的。

2 實驗裝置改進

2.1 原因剖析

為什么按照浙教版教材中的裝置連續操作十幾次都不會出現澄清石灰水變渾濁的現象呢？其主要原因是空氣中二氧化碳的含量較低。另外，當裝置內注入空氣，氣壓增大了，就會加快裝置內空氣的流通速度，導致注射器注入的空氣和澄清石灰水的接觸時間太短、反應不充分，出現澄清石灰水變渾濁不明顯甚至不渾濁的現象。楊松耀等對此實驗做過探討和改進［3］，改進后實驗有一定可行性，但由于裝置較復雜而不宜推廣。

因此，本文借助中學實驗室常見的儀器對教材實驗裝置再做改進，通過自制教具“探究空氣中存在二氧化碳的實驗新裝置”，讓實驗操作更方便，實驗現象更明顯。

2.2 改進原理

通過調節兩個止水夾的開關來實現大針筒的抽氣和送氣，就可以避免每次送完氣需要把大針筒取下吸入空氣后再安裝到裝置的導氣管帶來的麻煩。最近幾年有文獻報道有些實驗使用了單向閥來設計實驗［4］，可進一步簡化裝置。單向閥規格很多（可選兩端直徑都為5～7mm的），網上有售且價格便宜。

將膠頭滴管的乳膠頭扎若干個小孔后再次套在膠頭滴管的玻璃導管上，然后與橡皮塞中的玻璃彎管相連。因為乳膠頭上的小孔孔徑小，這樣能增大裝置內玻璃導管中的空氣與澄清石灰水的接觸面積，空氣從玻璃導管進入澄清石灰水的速度也會減慢，就能解決注射器注入的空氣和澄清石灰水的接觸時間短、接觸不充分等問題。

3 實驗部分

3.1 實驗器材

大針筒（含針）、橡皮管（4段）、三通玻璃管、玻璃彎管（2個）、單向閥（2個）、膠頭滴管、廣口瓶（小號）、橡皮塞和澄清石灰水

3.2 裝置制作

步驟1：取下膠頭滴管的乳膠頭用針對其扎若干個小孔，將帶有小孔的乳膠頭重新套在玻璃導管上。

步驟2：將針筒、膠頭滴管、玻璃彎管、廣口瓶（小號）、橡皮塞、單向閥（安裝時注意空氣進出的方向）和三通玻璃管分別用橡皮管按圖2的方式連接。

3.3 實驗過程與結果

步驟1：對安裝好的裝置做氣密性檢查，在確認裝

置氣密性良好后，向廣口瓶中加入一定量的澄清石灰水，要確保澄清石灰水能浸沒膠頭滴管的乳膠頭。

步驟2：向外拉動大針筒的活塞抽氣，再向內緩慢推動大針筒的活塞送氣，按照該步驟反復幾次后，觀察廣口瓶中澄清石灰水變渾濁的情況。

借助改進后的裝置進行實驗，只要來回推拉幾次大針筒的活塞后，廣口瓶內的澄清石灰水就出現了變渾濁的現象。而且在推壓大針筒完畢后，再也不需要將大針筒取下再裝上的麻煩操作，實現了空氣的連續壓入，顯著提高了實驗效率。

4 實驗相關說明

課后用相同體積的針筒與相同質量和濃度的澄清石灰水，分別對教材的裝置和自制改進裝置做了一系列更加精細的對比實驗，結果匯總如表2所示。以表2數據可知，若按照教材提供的裝置在課堂上進行演示實驗且要以觀察到澄清石灰水變渾濁為止，會占用很多的課堂時間，效率低下。而使用自制改進裝置無論是實驗用時還是實驗現象都有巨大的優勢，因此，它非常適合在課堂上演示。該裝置所需要的實驗器材都是中學實驗室里常見的，單向閥網上有售且價格便宜，所以必要的時候可以多安裝幾個自制改進裝置，組織學生以分組實驗的形式來探究空氣中是否存在二氧化碳，培養學生通過動手解決問題的能力。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版集團， 2022.

［2］朱清時. 義務教育教科書·科學（八年級下冊）［M］. 杭州： 浙江教育出版社， 2013： 71～72.

［3］楊松耀. 空氣中二氧化碳檢驗實驗的新改進［J］. 化學教學， 2018， （1）： 75～77.

［4］曹桂禎， 鄭順來. 單向閥和自制氣筒在化學實驗中的應用［J］. 化學教學， 2023， （1）： 62～66.

（2024年浙江省教研重點課題“設計型學習：發展初中學生‘工程思維’的路徑研究”（項目編號：Z2024019）階段性研究成果。）