初三化學(xué)“二氧化碳性質(zhì)”公開課的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張曉燕

摘要：介紹了“二氧化碳性質(zhì)”公開課中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及內(nèi)容，如利用T型管比較二氧化碳與空氣的密度；利用針筒測(cè)定二氧化碳的溶解性；利用二氧化碳滅火器常溫下制備干冰。在二氧化碳性質(zhì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)上優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，提高了教學(xué)有效性與趣味性。

關(guān)鍵詞：二氧化碳性質(zhì)；公開課；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1005–6629（2015）9–0055–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

二氧化碳是學(xué)生繼學(xué)習(xí)氧氣后，又一非常重要的氣體。在氧氣的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)初步掌握一般學(xué)習(xí)規(guī)律即物質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、用途以及制取方法，同時(shí)，了解了二氧化碳的基本性質(zhì)及基本用途，所以本節(jié)課著重實(shí)驗(yàn)部分，充分利用教師的演示實(shí)驗(yàn)與學(xué)生實(shí)驗(yàn)，突破原有的實(shí)驗(yàn)定式，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，活躍學(xué)習(xí)氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，在客觀上縮短了課本知識(shí)與學(xué)生之間的距離[1]。

1 實(shí)驗(yàn)1 比較二氧化碳與空氣密度大小

圖1、圖2和圖3是常見的比較二氧化碳與空氣密度大小的方法。如圖1是比較常見的教師演示實(shí)驗(yàn)，若傾倒二氧化碳時(shí)速度過(guò)快，造成二氧化碳剛倒入就散開了，結(jié)果造成上面的蠟燭先熄滅，下面的蠟燭后熄滅，對(duì)二氧化碳密度作出錯(cuò)誤結(jié)論[2]。如圖2在鐵架臺(tái)上吊一平衡杠桿，兩邊掛兩個(gè)紙袋，往其中一側(cè)傾倒二氧化碳，杠桿發(fā)生傾斜，該實(shí)驗(yàn)缺乏趣味性，且稍有空氣流動(dòng)，就容易失敗。如圖3在托盤天平兩側(cè)放置兩個(gè)燒杯，調(diào)節(jié)平衡，往其中一個(gè)燒杯倒二氧化碳?xì)怏w，二氧化碳的密度是1.977克/升，如托盤兩邊的燒杯都是50毫升規(guī)格，則向一邊倒入二氧化碳?xì)怏w引起的質(zhì)量變化理論上不足0.1克，靈敏性較差，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及用品

試管、T型玻璃管、玻璃導(dǎo)管、單孔塞、碳酸飲料、澄清石灰水

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖4所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作

（1）按照?qǐng)D4連接裝置，在上下兩個(gè)試管中均裝入澄清石灰水。

（2）兩根導(dǎo)管分別伸入石灰水，略微振蕩碳酸飲料。

（3）對(duì)比觀察T型管兩端連接導(dǎo)管對(duì)應(yīng)的石灰水變化情況。

1.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）T型玻璃管需要呈圖4所示放置，可以允許氣體向上或向下流動(dòng)。

（2）碳酸飲料略微振蕩，幅度不宜過(guò)大，避免液體進(jìn)入T型玻璃管。

（3）注意連接部分的氣密性。

（4）連接的導(dǎo)管不宜過(guò)長(zhǎng)，否則需要的二氧化碳量較多。

1.5 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)成功率高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，容易操作。

（2）對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)使用T型管，將無(wú)形的氣體流動(dòng)變成有形，學(xué)生能感知到二氧化碳密度比空氣大，從下方導(dǎo)管流入澄清石灰水，使澄清石灰水變渾濁，同時(shí)上下兩支試管形成鮮明對(duì)比。

（3）碳酸飲料振蕩直接得到二氧化碳，節(jié)省了制取、收集及儲(chǔ)存二氧化碳的操作

2 實(shí)驗(yàn)2 二氧化碳溶解性測(cè)定

圖5、圖6都可以用來(lái)證明二氧化碳可溶于水。如圖5，往裝滿二氧化碳的軟質(zhì)塑料瓶中倒水，擰緊瓶蓋，充分振蕩，觀察到瓶子變癟；如圖6，將裝滿二氧化碳的試管倒置在水中，觀察到試管內(nèi)液面上升。但這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都需要預(yù)先收集二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行備用，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作比較繁重或者當(dāng)場(chǎng)收集二氧化碳，會(huì)造成實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

變換思維角度，能否有節(jié)省實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間、精簡(jiǎn)實(shí)驗(yàn)操作同時(shí)能更好地了解二氧化碳在水中的溶解能力的實(shí)驗(yàn)？首先解決氣體來(lái)源，選擇使用生活中常見的碳酸飲料。經(jīng)查閱資料，雪碧中二氧化碳的濃度為0.1361 mol/L[3]，大約1體積水中含3體積的二氧化碳。再解決裝置問(wèn)題，我們從2013年普陀區(qū)中考化學(xué)質(zhì)量抽查試卷中提到利用針筒將黃綠色的氯氣與水混合，達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)測(cè)定氯氣的溶解性，以及付小勤老師在“初三化學(xué)若干演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”[4]一文中多處使用針筒進(jìn)行氣體實(shí)驗(yàn)得到靈感，可以利用針筒進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及用品

60毫升針筒、燒杯、未開封的碳酸飲料（1瓶）、蒸餾水

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及流程圖

如圖7所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

（1）用不帶針頭的針筒抽取20毫升水。

（2）略微振蕩碳酸飲料。

（3）帶上針頭，從碳酸飲料瓶上方側(cè)壁穿刺。

（4）抽取至少20毫升以上的二氧化碳?xì)怏w，讀數(shù)。

（5）去掉針頭，用大拇指按住注射孔，充分振蕩。

（6）觀察針筒示數(shù)變化。

2.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）由于試題中圖示的是氣液已經(jīng)混合的體系，并沒(méi)有交代到底是先抽氣體還是先抽水，筆者嘗試用針筒先抽取二氧化碳?xì)怏w，再抽取水，但發(fā)現(xiàn)內(nèi)壓過(guò)大，水很難抽取上來(lái)。

（2）注意在振蕩過(guò)程中不要用力過(guò)猛，造成二氧化碳?xì)怏w大量逸出；同時(shí)抽取過(guò)多的氣體造成針筒內(nèi)壓力過(guò)大，會(huì)擠壓出一部分的水；如第一次實(shí)驗(yàn)失敗，二氧化碳的量就不夠第二次實(shí)驗(yàn)。

（3）從側(cè)壁插入針頭，針頭盡量往上，避免吸入液體，造成實(shí)驗(yàn)失敗。

（4）抽取氣體量與水的比例至少大于1，同時(shí)充分振蕩，確保二氧化碳在水中達(dá)到飽和狀態(tài)。

2.5 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）使用碳酸飲料節(jié)省制取與收集二氧化碳的時(shí)間，且保證氣體的用量以及純度，整個(gè)實(shí)驗(yàn)從抽取水到抽取二氧化碳再到充分振蕩，耗時(shí)約為3分鐘左右。

（2）針筒上帶有刻度，不僅可以得到二氧化碳可溶于水的結(jié)論，還可以精確進(jìn)行讀數(shù)，多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到1體積水中最多能溶解約為0.8體積左右的二氧化碳?xì)怏w，從定性認(rèn)識(shí)上升到了定量認(rèn)識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生自覺(jué)養(yǎng)成嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。

（3）利用生活中常見的飲料及針筒就可以進(jìn)行氣體溶解性測(cè)定實(shí)驗(yàn)，不僅增加了趣味性，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解更加深刻了。

3 實(shí)驗(yàn)3 用二氧化碳滅火器制造干冰

理論上通常是將二氧化碳?xì)怏w在低溫高壓下先液化然后固化（如圖8），壓縮得到干冰，條件苛刻，在學(xué)校教學(xué)無(wú)法完成；若使用市面上制干冰機(jī)制干冰需要2500元以上不等，價(jià)格昂貴；若直接購(gòu)買干冰約為15元每公斤，但易升華不好保存。

3.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）操作中不可用手觸碰滅火器的金屬部位，液體二氧化碳轉(zhuǎn)化氣體時(shí)，整個(gè)滅火器金屬部分溫度非常低，易造成凍傷，在實(shí)驗(yàn)中需要佩戴手套進(jìn)行操作。

（2）用干布纏繞住封口，可減少二氧化碳?xì)怏w從袋口散逸出去，如溫度達(dá)不到理想的變化，易造成實(shí)驗(yàn)失敗。

（3）收納袋需要預(yù)先扎好一些小孔，避免內(nèi)壓過(guò)大造成破裂。

（4）二氧化碳滅火器中液體二氧化碳應(yīng)盡量多，一次按壓可以得到較大量的氣體，同時(shí)可以提供足夠的低溫，若滅火器中液體二氧化碳僅剩一半或更少，按壓后只能觀察到產(chǎn)生氣體，收納袋中沒(méi)有白色固體形成。

查閱資料發(fā)現(xiàn)在二氧化碳滅火器中儲(chǔ)存有液體二氧化碳，工作原理是打開閥門后，減壓使得液體二氧化碳轉(zhuǎn)化成氣體，此時(shí)會(huì)吸收大量的熱量，在噴嘴口處形成非常低的溫度?？梢岳眠@個(gè)溫度，將一部分液體二氧化碳?xì)饣?，另一部分受到溫度的驟然下降，發(fā)生狀態(tài)改變，形成固體二氧化碳。

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器及用品

二氧化碳滅火器、收納袋、干布、手套

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置及流程圖

如圖9所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)操作

（1）在透明收納袋上預(yù)先用細(xì)針扎好小孔。

（2）用收納袋套住滅火器的噴嘴，抽緊袋口。

（3）用干布纏繞住袋口。

（4）用手握住干布部分，去掉滅火器安全鎖，用力按壓閥門。

（5）在收納袋中得到未壓縮的白色干冰固體（如圖10所示）

3.5 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）利用二氧化碳滅火器可以隨時(shí)制備固體干冰，操作簡(jiǎn)單，一次按壓可得到較多量的固體，利用零下溫度計(jì)測(cè)定溫度，可以達(dá)到零下70多度，可以保持固體狀態(tài)5～6分鐘左右。

（2）2公斤裝的液體二氧化碳滅火器約250元，可以制備10次左右固體，價(jià)格適中。

（3）使用透明的收納袋代替布袋，可視性效果好，能觀察到氣體觸碰到收納袋壁后變成白色固體的過(guò)程。

（4）按壓閥門時(shí)伴隨有巨大的聲響，實(shí)驗(yàn)效果震撼。

（5）制得的干冰放于容器中，可以接著做后續(xù)的二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，避免了后期再次制備氣體，物質(zhì)得到了充分利用。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)和靈魂，它在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與科學(xué)探究能力、體驗(yàn)知識(shí)的產(chǎn)生與發(fā)展等方面均起著不可替代的作用。在新課程改革背景下，化學(xué)教師更應(yīng)積極探索，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王程杰.中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2005：18.

[2]周玉枝.美好的化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].上海：浦東教育發(fā)展研究院課程教學(xué)研究部，2012.

[3]朱子豐，何鳳云，陳凱，趙鈞若.定量測(cè)定雪碧中二氧化碳含量實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2009，（5）：12～13.

[4]付小勤.初三化學(xué)若干演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].化學(xué)教學(xué)，2012，（3）：47～49.