科學教材中二氧化碳系列實驗的微型改進

黃婉純, 鄭子山, 林 珩

（閩南師范大學化學與環(huán)境學院，福建漳州363000）

二氧化碳的制備與性質實驗在《科學》教材占有重要地位，在蘇教版《科學》四年級上冊和浙教版《科學》八年級下冊均有涉及.以下對二氧化碳系列實驗在小學與初中《科學》教材中的具體內容進行梳理，見表1.

從表1 中可知，蘇教版小學《科學》和浙教版初中《科學》中的二氧化碳實驗活動有很多相似之處，其中蘇教版小學《科學》中二氧化碳的制備實驗裝置無法控制反應物的加入量，達不到控制實驗反應速率的目的.此外，兩個版本的實驗同時存有以下的不足點：

1) 二氧化碳性質實驗一一分開操作，不能連續(xù)完整地表現(xiàn)二氧化碳的性質，勢必造成實驗耗時過長，知識點零碎，不利于學生系統(tǒng)掌握；

2) 所需儀器復雜且藥品使用量大，實驗需要多次制備或準備多份二氧化碳，操作繁瑣；

3) 用燒杯向階梯蠟燭傾入二氧化碳的實驗成功率不高.第一，可能由于傾倒燒杯的速度過快，兩支蠟燭同時熄滅或熄滅前后順序不明顯；第二，由于燒杯內兩支蠟燭燃燒時間較長造成杯內溫度較高，倒入的二氧化碳會受熱膨脹上升，使得二氧化碳沒來得及下沉就被沖散開，最后上方蠟燭先于下方蠟燭熄滅，與“二氧化碳比空氣重，下方蠟燭先熄滅，上方蠟燭后熄滅”的結論相悖，造成思維混亂；第三，用鐵絲做成階梯狀放置兩支蠟燭，會造成下方蠟燭與上方蠟燭與二氧化碳的傾倒位置距離不相等，學生會誤以為下方蠟燭先熄滅是因為距離二氧化碳近，先接觸二氧化碳，而不是因為二氧化碳比空氣重，沉到底部與其接觸.

針對以上不足，有必要立足于中小學生的年齡特點和對知識的認知順序對教材中二氧化碳的制備和性質實驗進行一體化微型改進.

1 實驗微型一體化改進的研究現(xiàn)狀

趙東洋[1]對二氧化碳系列實驗進行微型化一體設計，其優(yōu)點是控制了反應的啟停，運用了微型儀器和實現(xiàn)了制備與性質一體化，節(jié)約了試劑，減少了污染，縮短了實驗操作時間，提高了課堂效率.但存在不足的地方是實驗缺少對二氧化碳不支持燃燒，比空氣重的性質實驗進行設計，并且實驗所用的儀器較復雜，如實驗所用的T 型管、微型氣體實驗器、微型集氣瓶等并非常見儀器.

廖小紅[2]對二氧化碳制備與性質實驗進行一體化微型實驗設計，其優(yōu)點也是把二氧化碳的制備與性質實驗連為一體，運用了微型實驗儀器，能控制二氧化碳的產(chǎn)生速率，但也缺少對二氧化碳不支持燃燒，比空氣重的性質實驗的設計，沒能完整體現(xiàn)出教材中二氧化碳的所有性質實驗.

謝丹敏[3]設計了二氧化碳制取與系列性質的實驗裝置，雖然實驗裝置具有較高的嚴謹性，能完整體現(xiàn)教材上對二氧化碳的內容要求，但使用的儀器較多，不夠簡約，勢必造成操作繁瑣.

張澤志[4]嘗試對二氧化碳性質實驗進行創(chuàng)新和微型化改進，雖然達到微型一體化的效果且能完整地體現(xiàn)教材中二氧化碳的所有性質實驗，但缺點是反應裝置比較復雜、所用儀器數(shù)量多、操作過程不夠簡便.

以上實驗裝置都具有微型一體化的優(yōu)勢，但實驗步驟不夠簡化、儀器不夠簡約、不能簡單完整地串聯(lián)教材上二氧化碳的知識點.

2 《科學》教材中二氧化碳實驗的微型化改進

2.1 實驗用品

1）藥品：小蘇打、醋精、澄清石灰水、蒸餾水、藍色石蕊試紙.

2）儀器：湛江師范學院開發(fā)的中學化學微型實驗儀器（操作臺、主鐵夾、多用滴管、具支試管、橡膠塞、直角形側泡反應管、直角形通氣管）、5 mL 燒杯、2 mL 注射器、生日蠟燭、橡膠管、火柴、鑷子.

2.2 蘇教版《科學》中的二氧化碳實驗的改進

2.2.1 改進后的實驗裝置圖

改進后的實驗裝置，省略操作臺、支柱和主鐵夾，見圖1.

2.2.2 實驗步驟及其現(xiàn)象

1）由于該實驗裝置的組裝搭建對于小學生來說存在一定難度，因此科學教師需在課前為每小組的學生事先組裝好一整套改進后的實驗裝置.具體操作是在具支試管中加入少量小蘇打， 用多用滴管吸入一半體積的醋精，用微型注射器吸入澄清石灰水.在橡膠塞上鉆好兩個洞口，分別插上多用滴管和微型注射器， 塞在具支試管上端口處.在5 mL 的燒杯中用蠟油固定好高低不等的兩支生日蠟燭.按照圖1 蘇教版《科學》中的二氧化碳實驗改進裝置圖組裝儀器.

2）學生用另一支燃燒的蠟燭將燒杯中高低不等的兩支蠟燭引燃，再立即將多用滴管中的醋精緩慢注入具支試管中，觀察醋精與小蘇打發(fā)生反應.可以觀察到具支試管中有大量氣泡產(chǎn)生，證明醋精與小蘇打反應有二氧化碳氣體生成.并且低的蠟燭熄滅，高的蠟燭后熄滅，驗證了二氧化碳不支持燃燒、密度比空氣重的性質.

3）待階梯蠟燭熄滅后，學生將盛有澄清石灰水的注射器的活塞往外拉，吸入具支試管中殘留的二氧化碳，可以觀察到注射器中的澄清石灰水立即變渾濁的明顯現(xiàn)象，以此證明二氧化碳能與澄清石灰水反應.

2.3 浙教版《科學》教材中二氧化碳實驗的微型化改進

2.3.1 改進后的實驗裝置圖

改進后的實驗裝置，省略操作臺、支柱和主鐵夾，見圖2.

圖2 浙教版二氧化碳系列實驗改進裝置Fig.2 Carbon dioxide series experiment improvement device of zhejiang education edition

2.3.2 實驗步驟及其現(xiàn)象

1）在具支試管中加入少量小蘇打，用多用滴管吸入一半體積的醋精，2mL 微型注射器吸入1mL 澄清石灰水.用鑷子夾取一片干燥的藍色石蕊試紙放在直角形側泡反應管的側泡3 處， 并用注射器向其注入少量蒸餾水， 使干燥的試紙變濕潤.再用鑷子夾取另外一片干燥的藍色石蕊試紙放在直角形側泡反應管的側泡2 處（側泡1 處作為緩沖區(qū)，用于預防稀醋精和蒸餾水涌入干燥的藍色石蕊試紙），用作對比實驗.

2）按圖2 浙教版《科學》教材中的二氧化碳實驗改進裝置圖組裝實驗儀器.

3）用另一支燃燒的蠟燭將高低不等的兩支蠟燭引燃，將立即多用滴管中的醋精緩慢注入具支試管中，與小蘇打發(fā)生反應.可以觀察到以下現(xiàn)象并得到相應的結論:a)具支試管中有大量氣泡產(chǎn)生，證明醋精與小蘇打反應有二氧化碳氣體生成；b)側泡2 處和側泡3 處的藍色石磊試紙有不同現(xiàn)象，側泡2 處的干燥試紙沒有明顯變化，側泡3 處濕潤試紙變紅，證明了二氧化碳與水反應生成碳酸；c)高低兩支蠟燭火焰熄滅，并且低的蠟燭先于高的蠟燭熄滅，驗證了二氧化碳不支持燃燒，密度比空氣重的性質.

4）點燃酒精燈加熱直角形側泡反應管側泡3 處變紅的石蕊試紙，可以觀察到變紅的石蕊試紙恢復為藍色，證明生成的碳酸具有不穩(wěn)定，容易分解的性質.

5）待階梯蠟燭熄滅后，將盛有澄清石灰水的注射器的活塞往外拉，吸入具支試管中殘留的二氧化碳氣體，可以觀察到注射器內的澄清石灰水立即變渾濁的明顯想象，證明二氧化碳與澄清石灰水反應有碳酸鈣沉淀產(chǎn)生.

2.4 實驗注意事項

兩組微型改進實驗具有共同的實驗注意事項如下：

1）用多用滴管注射醋精時，要緩慢注入，確保最終醋精的加入量接近具支試管的支管口處即可，防止由于反應過于劇烈，大量氣泡產(chǎn)生，造成加入的醋精從支管口處溢出，影響實驗效果.

2）用蠟油固定不同高度的蠟燭時，要緊貼燒杯的另一側，確保兩支蠟燭的位置與燒杯另一側直角形通氣管的距離相等，排除無關變量的干擾.

3）設置高低不等的蠟燭時，要確保蠟燭的最高高度低于燒杯口，同時直角形通氣管出氣口要低于燒杯口且高于或與高處蠟燭平行.

3 改進后的優(yōu)點

3.1 實驗儀器微型化體現(xiàn)綠色化學的理念

相比較傳統(tǒng)實驗，改進后的兩組實驗都采用了中學化學微型實驗儀器，利用了微型儀器簡單便攜的特點，能大大節(jié)省藥品用量，減少二氧化碳的排放量，符合綠色化學的理念，且安全系數(shù)高，不僅適合中學生在課堂實踐，也適合具備初步實驗操作技能的四年級小學生自己親手操作，有助于對中小學生進行創(chuàng)新精神和環(huán)境保護教育.

3.2 制備與性質實驗一體化，有效整合提高實驗效率

圖1 的實驗裝置對蘇教版《科學》教材上的三個實驗進行有效整合，將二氧化碳制備與性質實驗連為一體，在較短的時間內，可以制得二氧化碳并看到二氧化碳使高低不等的蠟燭先后熄滅，使澄清石灰水變渾濁，儀器簡單輕便，實驗現(xiàn)象明顯.圖2 的實驗裝置是在圖1 實驗裝置的基礎上增加了直角形側泡反應管、酒精燈，對浙教版《科學》教材上的四個實驗進行有效整合.兩套改進裝置簡化了實驗儀器和步驟，提高了實驗效率和教學效果.

3.3 原料生活化

由于課本中稀鹽酸與石灰石反應緩慢，對實驗原料進行改進，采用了比白醋濃度高的醋精和小蘇打作為實驗原料，原料生活化，安全性能高，可以取得更佳的實驗效果.

3.4 排除實驗無關變量的干擾

改進后的實驗用直角形通氣管靠著燒杯壁進行熄滅高低不等蠟燭實驗，可以更好地讓二氧化碳順著燒杯壁流入燒杯底部，保證能達到正確的蠟燭熄滅先后順序.用蠟油固定高低不等的兩支蠟燭，會比制作鐵絲階梯更為簡便，同時兩支蠟燭的位置與直角形通氣管距離相等，能更好地排除實驗無關變量的干擾.