排水集氣法收集CO₂的實(shí)驗(yàn)探究

張雷 董銀萍

摘要： 在分析了“CO2的收集”在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中遇到的困擾的基礎(chǔ)上，巧妙利用三頸燒瓶、壓強(qiáng)傳感器、一次性注射器、導(dǎo)氣管等器具，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。結(jié)果表明，可以用排水法收集CO2，且該裝置裝配簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以根據(jù)壓強(qiáng)傳感器的讀數(shù)變化規(guī)律，定量分析CO2氣體在水中的溶解性，證實(shí)用排水法收集CO2氣體的可行性，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和批判性思維意識(shí)。

關(guān)鍵詞： CO2的收集; 排水集氣法; 傳感器; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2019）1006703 ? ? ?中圖分類號(hào)： G633.8 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

氣體的收集是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)于不易溶于水的氣體，例如H2、 O2等可用排水集氣法收集;而對(duì)于溶于水的氣體則要比較該氣體與空氣的密度，當(dāng)氣體密度比空氣密度大時(shí)，用向上排空氣法收集，如CO2、 Cl2等;當(dāng)氣體密度小于空氣密度時(shí)，則要用向下排空氣法收集，如NH3等。CO2的收集方法一直是中學(xué)化學(xué)的一個(gè)疑難點(diǎn)，在學(xué)生已有的認(rèn)知中，CO2密度大于空氣密度，可溶于水且與水反應(yīng)生成碳酸，因此只能用向上排空氣法收集，但在人教版九年級(jí)《化學(xué)》第一單元課題2中對(duì)于人體吸入的空氣和呼出的氣體的探究實(shí)驗(yàn)中卻用排水法收集呼出的氣體[1]。這與學(xué)生的認(rèn)知不符，易引起學(xué)生的疑惑： CO2究竟能否用排水法收集？多數(shù)教師在教學(xué)時(shí)也是采用模糊處理的方法，學(xué)生也只是機(jī)械的記憶，沒有進(jìn)行太多的思考，很難真正地理解氣體的收集這一知識(shí)點(diǎn)。但在當(dāng)前的學(xué)習(xí)中，用排水法收集CO2氣體的方法逐漸受到重視[2～4]，實(shí)際上自2007年起蘇州市的中考化學(xué)題就有意識(shí)地在這一問題上做了文章[5]?；诖耍狙芯繉⑹褂脭?shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，分析CO2氣體在水中的溶解性，深入探究排水法收集CO2氣體的可行性，幫助學(xué)生全面而深入地理解和掌握“CO2的收集”這一知識(shí)點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在學(xué)習(xí)CO2氣體收集之前，學(xué)生已經(jīng)知道用排水法可以收集人體呼出的氣體，掌握了氧氣的制備和收集方法，對(duì)氣體收集的基本原理和方法也有了初步的了解，但對(duì)于CO2氣體的收集方式還存在疑惑?；诖耍狙芯壳擅畹乩靡淮涡宰⑸淦?、導(dǎo)氣管、三頸燒瓶等器具設(shè)計(jì)密閉實(shí)驗(yàn)裝置，用壓強(qiáng)傳感器對(duì)體系中的壓強(qiáng)進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。根據(jù)所測(cè)體系中壓強(qiáng)數(shù)據(jù)的變化，計(jì)算溶于水并與水發(fā)生反應(yīng)而消耗掉的CO2的量，從而證明排水法收集CO2氣體的可行性。

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

3.1 原理

通過壓強(qiáng)傳感器分別測(cè)得充滿CO2氣體的三頸燒瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)（P1）、向該三頸燒瓶中注入水時(shí)的瞬間壓強(qiáng)（P2）及隨著CO2氣體溶于水且與水發(fā)生反應(yīng)，三頸燒瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)逐漸發(fā)生變化，兩分鐘時(shí)體系的壓強(qiáng)（P3），則由于溶于水且與水發(fā)生反應(yīng)而消耗掉的CO2量可以表示為P2-P3，占總量的比值為P2-P3P1。

3.2 實(shí)驗(yàn)藥品與裝置

3.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

碳酸鈣、稀鹽酸、自來水、250mL三頸燒瓶、250mL錐形瓶、橡膠管、玻璃導(dǎo)氣管、止水夾、注射器、壓強(qiáng)傳感器

3.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為CO2氣體發(fā)生及收集實(shí)驗(yàn)裝置圖。在圖1的錐形瓶中加入適量的碳酸鈣粉末，用注射器注入適量的稀鹽酸，通過導(dǎo)氣管將生成的CO2氣體通入三頸燒瓶中。最初，將壓強(qiáng)傳感器上的活塞A打開，使通入的CO2氣體將三頸燒瓶中的空氣排盡。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，用一根帶火焰的木條放在活塞口A處，若火焰熄滅，說明三頸燒瓶中已充滿CO2氣體，迅速關(guān)閉活塞A，并用止水夾夾住導(dǎo)氣管B處，移去CO2氣體發(fā)生裝置，記錄此時(shí)壓強(qiáng)傳感器的數(shù)據(jù)P1;再用注射器抽取15mL水，通過活塞A迅速注入到三頸燒瓶中，記錄此時(shí)壓強(qiáng)傳感器的數(shù)據(jù)P2;隨著CO2溶于水并與H2O發(fā)生反應(yīng)生成碳酸，體系的壓強(qiáng)逐漸發(fā)生變化，記錄反應(yīng)兩分鐘之后壓強(qiáng)傳感器的數(shù)據(jù)P3。

改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單且完全密閉，不會(huì)造成CO2氣體的泄露，測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，便于在課堂上演示和學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)處理

3.3.1 實(shí)驗(yàn)過程

（1） 向錐形瓶中加入適量的碳酸鈣粉末，并將吸取適量稀鹽酸的一次性注射器的針頭扎入軟木塞中，備用。

（2） 按實(shí)驗(yàn)裝置圖1組裝儀器。

（3） 檢查裝置氣密性。用壓強(qiáng)傳感器中自帶的注射器通過活塞口A向三頸燒瓶注入50mL空氣，并一直壓住注射器。若壓強(qiáng)傳感器的讀數(shù)先變大后保持不變，證明實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性良好。

（4） 打開活塞A，將針筒中的稀鹽酸迅速注入錐形瓶中，反應(yīng)開始后用帶火焰的木條放在活塞A處，火焰熄滅時(shí)，迅速關(guān)閉活塞A，并用止水夾夾住導(dǎo)氣管B處，移去CO2氣體發(fā)生裝置。

（5） 用壓強(qiáng)傳感器自帶的注射器通過活塞口A向三頸燒瓶中注入15mL水，觀察并記錄兩分鐘之內(nèi)體系的壓強(qiáng)變化情況。

3.3.2 數(shù)據(jù)處理

在實(shí)驗(yàn)過程中，從三頸燒瓶中充滿CO2氣體并關(guān)閉活塞A開始計(jì)時(shí)，每隔1s記錄一次壓強(qiáng)傳感器的讀數(shù)，并記錄于表1中;圖2更清晰地顯示出了體系壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

由表1及圖2可以看出，當(dāng)三頸燒瓶中充滿CO2氣體時(shí)，體系的壓強(qiáng)為106.94kPa，記為P1;當(dāng)向三頸燒瓶中注入水的瞬間，體系的壓強(qiáng)達(dá)到110.60kPa，記為P2;之后，隨著CO2氣體與水的反應(yīng)，三頸燒瓶中的壓強(qiáng)逐漸減小，在兩分鐘之后體系壓強(qiáng)減小到110.03kPa，并基本保持恒定，記為P3。由反應(yīng)過程中體系壓強(qiáng)的變化可知，CO2氣體溶于水且與水反應(yīng)消耗的量為ΔP=P2-P3=0.57kPa，故消耗的CO2的量約為收集到的CO2氣體總量的0.53%（α=ΔP/P1）。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析可以看出，在充滿250mL CO2氣體的三頸燒瓶中注入15mL水，兩分鐘之內(nèi)僅有約0.53%的CO2氣體溶于水并與水發(fā)生反應(yīng)，而已有的研究結(jié)果表明用排水集氣法收集滿一集氣瓶（170mL）CO2氣體所需要的時(shí)間不足50秒[6，7]?；诒狙芯康膶?shí)驗(yàn)結(jié)果，可推測(cè)在不足50秒的收集時(shí)間之內(nèi)，CO2氣體的損耗率將更低于0.53%，幾乎可以忽略不計(jì)，因此完全可以用排水集氣法收集CO2氣體。

4 “排水集氣法收集CO2氣體”實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)易

實(shí)驗(yàn)裝置所用的三頸燒瓶、錐形瓶、一次性注射器、導(dǎo)氣管、止水夾、壓強(qiáng)傳感器等均為實(shí)驗(yàn)室常見器具，可在課前提前搭建好實(shí)驗(yàn)裝置，準(zhǔn)備好一針筒稀鹽酸和一針筒水，課堂中只需將稀鹽酸注入錐形瓶，待收集滿CO2氣體后再注入水即可，不受條件限制，幾乎可在所有的中學(xué)課堂中使用。

4.2 現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)短

稀鹽酸和碳酸鈣反應(yīng)劇烈，只反應(yīng)幾秒鐘產(chǎn)生的CO2氣體即可充滿三頸燒瓶，注入水之后通過壓強(qiáng)傳感器觀察反應(yīng)體系中壓強(qiáng)的變化，記錄兩分鐘之內(nèi)體系壓強(qiáng)的變化情況;反應(yīng)過程中，體系的壓強(qiáng)呈現(xiàn)明顯的先增后降并逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。最后，通過壓強(qiáng)傳感器讀數(shù)的變化和計(jì)算即可證明CO2氣體可用排水集氣法收集，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程只需2～3分鐘。

4.3 該實(shí)驗(yàn)可做進(jìn)一步改進(jìn)

本研究只探究了250mL CO2氣體溶于15mL水中時(shí)的損失情況，在實(shí)際教學(xué)過程中，可將學(xué)生分成若干小組，分別探究不同體積的CO2氣體溶于不同體積的水中的情況，讓學(xué)生體驗(yàn)完整的科學(xué)探究過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力[8]。

5 小結(jié)

本研究采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備定量地分析了排水集氣法收集CO2的科學(xué)性和可靠性，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，操作方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。將該實(shí)驗(yàn)方案用于“CO2氣體的收集”的教學(xué)中，可以對(duì)教材中模糊處理的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行直觀呈現(xiàn)，充分激活學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，通過創(chuàng)新性思維，生成真正屬于自己的個(gè)體知識(shí)，拓展教材的思想和內(nèi)涵，突出實(shí)驗(yàn)的教學(xué)作用。通過實(shí)驗(yàn)探究，在完成知識(shí)與技能教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維意識(shí)，有利于學(xué)生化學(xué)學(xué)科思想方法的形成。

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