二氧化碳制取與系列性質(zhì)實驗裝置的設(shè)計

謝丹敏　楊玉琴

摘要：針對初中化學(xué)各種版本教科書中關(guān)于二氧化碳的制取與系列性質(zhì)實驗存在的反應(yīng)不可控、藥品用量大、耗時長、成功率低等問題，從演示實驗的科學(xué)性與可視化出發(fā)，通過將自制實驗裝置與常規(guī)實驗儀器相組合，設(shè)計了一套集二氧化碳制取、理化性質(zhì)于一體的實驗裝置。利用該裝置進行實驗，現(xiàn)象明顯，耗時少，成功率高。

關(guān)鍵詞：二氧化碳；制?。恍再|(zhì)；裝置設(shè)計；實驗改進

文章編號：1005-6629（2016）1-0064-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1.問題的提出

義務(wù)教育化學(xué)課程標準（2011版）明確規(guī)定“二氧化碳的實驗室制取與性質(zhì)”為學(xué)生必須完成的8個基礎(chǔ)實驗之一，因此該實驗在現(xiàn)行初中化學(xué)各種版本教科書中的重要性不言而喻。然而長期的教學(xué)實踐中我們發(fā)現(xiàn)如下問題：在二氧化碳的制取過程中，發(fā)生裝置不能控制反應(yīng)的發(fā)生與停止，一定程度上造成了藥品的浪費；分次進行二氧化碳的各個性質(zhì)實驗，所需藥品用量大，耗時較長，有些實驗在實際操作過程中成功率并不高，如二氧化碳的滅火實驗中，傾倒二氧化碳時，有時上層蠟燭先熄滅，有時一瓶二氧化碳傾倒完畢，兩支蠟燭都沒有熄滅或一起熄滅。因此，很多一線教師放棄了在課堂上動手演示實驗，轉(zhuǎn)而采用動畫或視頻實驗替代，使得實驗的教學(xué)功能大打折扣，降低了學(xué)生對實驗的真實感知，影響了實驗的教學(xué)效果。基于上述原因，我們設(shè)計了一套二氧化碳制取與系列性質(zhì)實驗的裝置。

2.裝置的設(shè)計

2.1前期設(shè)計

在前期的實驗研究中通過整合常規(guī)實驗儀器將二氧化碳的制取和系列性質(zhì)實驗組裝起來完成。

2.1.1實驗用品

（1）儀器：小具支試管1個（口徑2cm，長度20cm）、醫(yī)用注射器1個（60mL）、球型干燥管1個、燒杯1個（250mL）、酒精燈1個、橡皮塞2個、乳膠管2根、膠頭滴管1個、導(dǎo)管1根、鑷子1個、鋁條1根（彎成階梯狀用）

（2）藥品及試劑：塊狀石灰石（或大理石）、蠟燭2支、稀鹽酸（1：4）、紫色石蕊試液、澄清石灰水、火柴1盒、棉花少許

2.1.2實驗裝置

實驗裝置如圖1所示（略去鐵架臺和鐵夾）。

2.1.3實驗過程及問題

（1）連接好裝置，檢查裝置氣密性后，在小具支試管里加入適量石灰石，在醫(yī)用注射器中吸入適量稀鹽酸，插入橡皮塞中，用棉花蘸取適量澄清石灰水涂在球型干燥管球狀內(nèi)壁上部，下部滴5～6滴紫色石蕊試液后塞緊橡皮塞，將“階梯”蠟燭用火柴點燃后放在燒杯中。推動注射器栓塞使稀鹽酸緩緩流下，反應(yīng)后球型干燥管內(nèi)澄清石灰水變渾濁，紫色石蕊試液變紅，燒杯內(nèi)蠟燭自下而上依次熄滅。用酒精燈微微加熱球型干燥管球下部，石蕊試液由紅色又變成紫色。

（2）在多次實驗后發(fā)現(xiàn)，該裝置容積較小，能控制二氧化碳的反應(yīng)速率，省時省料，能同時完成多個性質(zhì)實驗，但是裝置的微型化也帶來一些問題，如向干燥管內(nèi)加紫色石蕊試液和在干燥管內(nèi)壁涂澄清石灰水比較麻煩；裝置容積小，藥品微量化，不利于教師課堂的演示與學(xué)生對實驗現(xiàn)象的觀察。查閱相關(guān)文獻，將產(chǎn)生的二氧化碳用導(dǎo)管通入燒杯，雖然“階梯”蠟燭能自下而上依次熄滅，但這樣的現(xiàn)象并不能說明二氧化碳的密度比空氣大，因為二氧化碳并不是在重力作用下自然下沉的，而是在燒杯底部被“擠壓”出來的。

2.2后期設(shè)計

考慮到課堂演示實驗的科學(xué)性與可視化，同時為了增強實驗演示效果，經(jīng)過半年多反復(fù)的實驗與研究，我們通過將自制實驗裝置與常規(guī)實驗儀器相組合，將儀器固定在木制展板上，設(shè)計了“展板式二氧化碳制取與系列性質(zhì)實驗裝置”。

2.2.1實驗用品

（1）儀器：自制二氧化碳儲存裝置1個、大具支試管1個（口徑3.5cm，長度20cm）、小具支試管2個（口徑2cm，長度20cm）、試管1個（口徑2cm，長度20cm）、醫(yī)用注射器1個（60mL）、燒杯1個（250mL）、酒精燈1個、橡皮塞4個、乳膠管5根、導(dǎo)管4根、膠頭滴管1個、鑷子1個、止水夾4個、鋁條1根（彎成階梯狀用）

（2）藥品及試劑：塊狀石灰石（或大理石）、蠟燭2支、稀鹽酸（1：4）、紫色石蕊試液、澄清石灰水、飽和碳酸氫鈉溶液、火柴1盒

2.2.2實驗裝置

實驗裝置如圖2所示（略去木制展板和一些固定部件）。

2.2.3實驗說明

（1）為了能使學(xué)生清楚地觀察到二氧化碳通入紫色石蕊試液變紅，加熱后又恢復(fù)紫色，因此選擇將圖1中的球型干燥管換成小具支試管。

（2）為了實現(xiàn)二氧化碳在重力作用下自然沉降，同時考慮到收集的二氧化碳的量足以順利地將階梯蠟燭的火依次熄滅，自制二氧化碳儲存裝置。關(guān)閉儲存裝置兩端的止水夾，拔掉上端的橡皮塞，打開下端的活塞，實現(xiàn)二氧化碳在重力作用下的自然沉降，使二氧化碳像水一樣“流”入燒杯中，使階梯蠟燭自下而上依次熄滅。

（3）為了演示二氧化碳與澄清石灰水的反應(yīng)，同時為了說明二氧化碳儲存裝置中的氣體已經(jīng)收集滿，在儲存裝置后接一個導(dǎo)管通入裝有澄清石灰水的試管中，并在展板上加一深色背景，使白色沉淀現(xiàn)象更明顯。

（4）圖2中虛框部分實驗裝置，是從實驗研究的嚴謹性出發(fā)設(shè)計的，以便除去從發(fā)生裝置中揮發(fā)出來的氯化氫。但在二氧化碳性質(zhì)的新授課中向?qū)W生進行演示實驗時，此部分裝置不宜出現(xiàn)，以免增加學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識時的認知負擔(dān)?？梢栽谥锌紡?fù)習(xí)階段再現(xiàn)，讓學(xué)生思考添加此部分裝置的作用。

2.2.4實驗步驟

（1）裝置氣密性的檢查。按圖2連接好裝置，關(guān)閉止水夾K1，在小試管內(nèi)加入適量的水，用酒精燈對大具支試管微微加熱，伸入小試管內(nèi)的導(dǎo)管有氣泡產(chǎn)生，停止加熱后，導(dǎo)管內(nèi)形成一段水柱，說明裝置氣密性良好。

（2）二氧化碳的制取。在大具支試管中加適量石灰石，然后用注射器吸取適量稀鹽酸，插入橡皮塞中，小具支試管中加入約6mL的紫色石蕊試液，試管中加入約10mL的澄清石灰水。關(guān)閉止水夾K1，推動注射器栓塞使稀鹽酸緩緩流下，根據(jù)反應(yīng)速率控制流速，觀察大具支試管內(nèi)實驗現(xiàn)象。

（3）二氧化碳的系列性質(zhì)驗證。分別打開止水夾K2、K3和K4，二氧化碳依次通過紫色石蕊試液、自制二氧化碳儲存裝置和澄清石灰水，觀察實驗現(xiàn)象。

2.2.5實驗現(xiàn)象及原理

（1）推動注射器栓塞，稀鹽酸緩緩滴入石灰石中，迅速產(chǎn)生大量氣泡。

實驗原理：二氧化碳的制取。在實驗室里常用石灰石（或大理石，主要成分為碳酸鈣）與稀鹽酸反應(yīng)來制取二氧化碳，反應(yīng)方程式為：CaCO3+2HCI=CaCl2+H2O+CO2↑。

（2）小具支試管中紫色石蕊試液變紅。

實驗原理：二氧化碳溶于水，與水反應(yīng)生成的碳酸具有酸性，能使紫色石蕊試液變紅。

關(guān)閉止水夾K2，打開止水夾K1（防止橡皮塞沖出），用酒精燈對小具支試管微熱，試管內(nèi)溶液由紅色又恢復(fù)成紫色，說明生成的碳酸不穩(wěn)定，受熱易發(fā)生分解。

（3）小試管中澄清石灰水變渾濁。

實驗原理：二氧化碳與澄清石灰水中的溶質(zhì)氫氧化鈣反應(yīng)生成了難溶于水的白色沉淀碳酸鈣，反應(yīng)方程式為：C02+Ca（OH）2=CaCO3↓+H2O，同時該現(xiàn)象也說明前面自制的二氧化碳儲存裝置中二氧化碳氣體已經(jīng)收集滿。

（4）關(guān)閉止水夾K3和K4，點燃燒杯中的“階梯”蠟燭，將燒杯放置在自制二氧化碳儲存裝置下方。拔掉儲存裝置頂部的小橡皮塞，緩慢旋開下面的活塞，可以觀察到燒杯內(nèi)蠟燭自下而上依次熄滅。

實驗原理：一般情況下，二氧化碳不可燃也不助燃。拔掉小橡皮塞，旋開活塞，二氧化碳釋放出來后，“流”入點燃的“階梯”蠟燭燒杯中，蠟燭會熄滅。二氧化碳的密度比空氣大，約為空氣密度的1.5倍。所以下層蠟燭先熄滅，上層蠟燭后熄滅。

3.裝置的優(yōu)點

（1）實驗設(shè)計巧妙地將二氧化碳的制取與性質(zhì)實驗融為一體，現(xiàn)象明顯，成功率高。

（2）二氧化碳的制取與多個性質(zhì)實驗一氣呵成，簡化了實驗操作步驟，節(jié)省了二氧化碳制取的時間，提高了課堂演示效率。

（3）自制二氧化碳儲存裝置的使用，能使學(xué)生直接感知二氧化碳在重力作用下，像水一樣“流”入燒杯中，自然得出二氧化碳的密度比空氣大的結(jié)論。

4.注意事項

（1）滴加鹽酸的速率要適中，如果太慢，生成的二氧化碳的量不足以維持后續(xù)的實驗。如果太快，在較大壓強下藥品可能會被沖出裝置。

（2）澄清石灰水暴露在空氣中易變質(zhì)，需要現(xiàn)配現(xiàn)用。