巧用干冰設(shè)計二氧化碳性質(zhì)系列實(shí)驗(yàn)*

馬逸群 魏 海 吳國慶 李德前

在現(xiàn)行各種版本的初中化學(xué)教科書中，二氧化碳性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一般使用集氣瓶里的二氧化碳?xì)怏w，或直接使用來自氣體發(fā)生裝置內(nèi)的二氧化碳?xì)怏w。在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，巧妙利用干冰易升華的特性，直接利用干冰代替二氧化碳?xì)怏w在開放的空間里進(jìn)行二氧化碳性質(zhì)系列實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

一、實(shí)驗(yàn)原理

隨著社會需求的多元化，干冰已成為日常生活中比較常見的物品，通過線上購買很容易獲得。

干冰是固態(tài)的二氧化碳，當(dāng)溫度高于-78.5 ℃時會直接升華為二氧化碳?xì)怏w，同時吸收大量的熱(使得周圍空氣快速冷卻，如果環(huán)境中水蒸氣含量較大還會出現(xiàn)大量白霧[1])。因此，通過足量的干冰不斷升華，就可以源源不斷地獲得流動的二氧化碳?xì)怏w，以此進(jìn)行二氧化碳性質(zhì)系列實(shí)驗(yàn)，能給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來意想不到的效果與精彩呈現(xiàn)。

二、實(shí)驗(yàn)用品

主要有塑料水槽、小燒杯、小氣球、火柴、手套、護(hù)目鏡、抹布等，干冰、石灰水、鎂帶、蒸餾水、蠟燭、石蕊紙花等。

三、實(shí)驗(yàn)步驟

(1)線上購買干冰(備用)。

(2)在實(shí)驗(yàn)桌上放置一個塑料水槽，將0.5 kg左右的干冰放入水槽里。再取一個小氣球，充入適量的空氣至大小合適為止，并扎緊氣球口，然后將小氣球放到水槽口正上方10 cm左右的高度，慢慢松開手，可以觀察到小氣球懸浮在干冰上方而不會降落(如圖1所示)。

本實(shí)驗(yàn)中充滿空氣的小氣球也可以用肥皂泡代替，即利用兒童玩具吹泡器，在干冰的正上方吹出大量的肥皂泡，可以觀察到肥皂泡懸浮于水槽上方，并處于輕微的飄蕩狀態(tài)。

圖1 小氣球懸浮演示實(shí)驗(yàn)

(3)自制兩朵石蕊紙花，一朵保持干燥，一朵噴水濕潤，再將它們分別固定在粗鐵絲上；然后，將兩朵紙花同時放在水槽口處，很快觀察到干燥的石蕊紙花不變紅，濕潤的石蕊紙花變紅色(如圖2所示)。

圖2 石蕊紙花變色實(shí)驗(yàn)

(4)取一段長10 cm左右的鎂條，打磨表面的氧化膜，將其插入干冰中，注意使鎂條上端露出1 cm左右、下端離水槽底部有2 cm左右(如圖3所示)；將鎂條點(diǎn)燃，暴露在空氣中的鎂條立即燃燒，緊接著在干冰中的鎂條繼續(xù)劇烈燃燒，發(fā)出耀眼的白光，產(chǎn)生大量的白煙，放出大量的熱；燃燒結(jié)束，發(fā)現(xiàn)干冰上散落著黑色固體和白色固體。

圖3 鎂條在干冰中劇烈燃燒實(shí)驗(yàn)

(5)在靠近水槽的左邊桌面上，固定高低不同的兩支蠟燭，注意使高蠟燭頂端高于水槽的邊口、矮蠟燭頂端明顯低于水槽的邊口；在靠近水槽的右邊桌面上，放置盛有適量澄清石灰水的小燒杯(如圖4所示)。點(diǎn)燃兩支蠟燭，然后將適量的熱水倒入水槽中，立刻有大量的白霧從水槽中噴涌而出，非常壯觀，而且絕大部分白霧順勢而下；同時看到矮蠟燭立即熄滅，高蠟燭沒有熄滅；再振蕩小燒杯里的澄清石灰水，石灰水瞬間變渾。

圖4 干冰注入致蠟燭熄滅實(shí)驗(yàn)

四、現(xiàn)象分析

充滿空氣的小氣球能夠懸浮于干冰的正上方，據(jù)此并結(jié)合物體的浮沉條件不難推出，二氧化碳?xì)怏w的密度比氣球中氣體的密度大，即二氧化碳?xì)怏w的密度比空氣大。

石蕊紙花接觸到二氧化碳?xì)怏w后，干燥的不變色、濕潤的變紅色，說明水與二氧化碳反應(yīng)生成酸性物質(zhì)，有關(guān)的化學(xué)方程式是CO2+H2O= H2CO3。

鎂條能在干冰中劇烈燃燒，說明二氧化碳可以支持鎂等活潑金屬的燃燒，有關(guān)的化學(xué)方程式是。進(jìn)而可知，二氧化碳?xì)怏w在一般條件下不燃燒、不支持燃燒，但活潑金屬引起的火災(zāi)不能使用二氧化碳撲滅。

向干冰中加入適量的熱水，立即出現(xiàn)非常明顯的云霧現(xiàn)象，說明升高溫度可以加快干冰升華，且干冰升華會引起環(huán)境溫度降低。產(chǎn)生的白霧主要向下流淌，說明二氧化碳?xì)怏w的密度比空氣大。

矮蠟燭熄滅、高蠟燭沒有熄滅，說明通常情況下二氧化碳?xì)怏w不燃燒、不支持燃燒，且二氧化碳?xì)怏w的密度比空氣大；放在水槽邊的澄清石灰水變渾濁，說明二氧化碳與氫氧化鈣反應(yīng)生成不溶性的物質(zhì)，有關(guān)的化學(xué)方程式是CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O。

干冰升華后，產(chǎn)生密度大于空氣的二氧化碳?xì)怏w能夠大量地逸出水槽，充分說明二氧化碳分子在不停地運(yùn)動，即微粒具有運(yùn)動性[2]。

五、實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

利用干冰設(shè)計的二氧化碳性質(zhì)系列實(shí)驗(yàn)，過程清晰、操作簡潔、實(shí)驗(yàn)安全、現(xiàn)象生動，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的好奇心。

鎂能在二氧化碳中燃燒的事實(shí)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的辯證唯物主義觀點(diǎn)，同時發(fā)展了學(xué)生的理性思維，使他們認(rèn)識到化學(xué)反應(yīng)條件的重要性及可控性。

利用干冰設(shè)計化學(xué)實(shí)驗(yàn)，豐富了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，開闊了學(xué)生的眼界，有利于提高化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

加深了學(xué)生對干冰性質(zhì)及用途的認(rèn)識，提高了學(xué)生對身邊化學(xué)物質(zhì)的探究欲望，促進(jìn)了學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

六、注意事項(xiàng)

干冰不要嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地密封于容器內(nèi)，以防內(nèi)壓過大而引起爆炸；可以放在干冷的保溫瓶里，并使瓶口稍微透氣。

進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)要戴上手套，以防干冰凍傷人手；進(jìn)行鎂的燃燒實(shí)驗(yàn)，還要帶好護(hù)目鏡，以防強(qiáng)光傷害人的眼睛和皮膚[3]。