二氧化碳溶解性實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

莊育蘭

摘要：依據(jù)簡(jiǎn)單、安全、可行的原則，設(shè)計(jì)了二氧化碳的溶解性實(shí)驗(yàn)，并經(jīng)過十組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出在中學(xué)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，用石灰石和稀鹽酸制取的二氧化碳，常溫常壓下也能溶解在自來水中。分析了目前人教版教材上二氧化碳溶解性實(shí)驗(yàn)存在的問題。

關(guān)鍵詞：二氧化碳;溶解性;注射器

文章編號(hào)：1008-0546（2021）06-0096-02 中圖分類號(hào)：0632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.06.026

人教版《化學(xué)》九年級(jí)上冊(cè)第六單元課題3有一個(gè)“二氧化碳的溶解性實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)步驟如下：向一個(gè)收集滿二氧化碳?xì)怏w的質(zhì)地較軟的塑料瓶中加入約1/3體積的水，立即旋緊瓶蓋，振蕩。觀察現(xiàn)象并分析。本實(shí)驗(yàn)需要二氧化碳的量較多（礦泉水瓶體積都在400mL以上）、并且塑料瓶的質(zhì)地需十分輕軟才能看到明顯現(xiàn)象，很多教師反映實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不太明顯。因此筆者設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)改進(jìn)二氧化碳的溶解性實(shí)驗(yàn)。

用圖1的實(shí)驗(yàn)裝置制取二氧化碳。因?yàn)楣P者希望制取比較純凈的二氧化碳，所以使用的藥品是碳酸鈣粉末而不是石灰石。為了避免收集到的二氧化碳混有較多空氣，增加一個(gè)不加膠頭的玻璃滴管，用于驗(yàn)證二氧化碳基本充滿錐形瓶。實(shí)驗(yàn)過程如下：關(guān)閉止水夾，打開分液漏斗活塞，使稀硫酸與碳酸鈣粉末反應(yīng)，在滴管上方驗(yàn)證二氧化碳已經(jīng)充滿后，用膠塞堵住滴管。打開止水夾，在注射器A中收集20mL二氧化碳。取一根約2cm長(zhǎng)的乳膠管，套在注射器B上，然后吸取20mL水，使乳膠管內(nèi)也充滿水。用該乳膠管連接注射器A和B，放置在水平桌面上（如圖2）。將二氧化碳緩緩?fù)迫怂?。待二氧化碳全部推人后，將注射器B豎起，觀察液面的變化?？捎^察到，注射器B內(nèi)共有20mL液體和16mL氣體，即從A進(jìn)入B的二氧化碳溶解了約4mL。振蕩該注射器30秒，可觀察到二氧化碳又溶解了約6mL，繼續(xù)振蕩約30秒，可觀察到二氧化碳又溶解了約2mL。放置五分鐘，最終發(fā)現(xiàn)二氧化碳共溶解了約13mL。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)10次，得到平均值：常溫常壓下，20mL水中約能溶解12.5mL二氧化碳。即1體積的水中約能溶解0.63體積二氧化碳。本實(shí)驗(yàn)的操作要點(diǎn)是：注射器的氣密性必須良好;向水中注射二氧化碳的時(shí)候必須緩慢，如果能將注射器連接針頭后再注射，效果更好;注入后，一定要充分振蕩。

當(dāng)然，本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論遠(yuǎn)沒有達(dá)到教材寫的“在通常狀況下，1體積的水約能溶解1體積的二氧化碳”，主要有兩個(gè)原因：原因之一是用排空氣法收集的二氧化碳仍含有部分空氣，實(shí)驗(yàn)證明只要空氣中二氧化碳的體積含量達(dá)到30%及以上，就能使點(diǎn)燃的木條熄滅[1]，所以即使筆者用點(diǎn)燃的木條熄滅進(jìn)行驗(yàn)滿，仍無法保證收集到的是純凈的二氧化碳;原因之二是CO2溶于水時(shí)，CO2在滯流或靜止的液（水）膜里的運(yùn)動(dòng)以分子擴(kuò)散為主，而根據(jù)相平衡計(jì)算和電離平衡計(jì)算，CO2在水里的擴(kuò)散系數(shù)很小，其數(shù)量級(jí)為10-5cm2·s-1，擴(kuò)散阻力很大[2]，也就是說要讓二氧化碳充分溶于水需要有足夠大的接觸面積和足夠長(zhǎng)的接觸時(shí)間，在本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的5分鐘時(shí)間內(nèi)，即使通過振蕩，CO2也不可能完全溶于水中。所以如果本實(shí)驗(yàn)用于測(cè)定溶解度，還是不太精確的，但是本實(shí)驗(yàn)作為二氧化碳的溶解性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生領(lǐng)悟“二氧化碳能溶解在水中”，還是簡(jiǎn)便可行的。

初中階段，很多學(xué)校實(shí)驗(yàn)用水都是自來水，因此筆者也用同樣的方式進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將20mL二氧化碳注入20mL自來水中，進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)。得到的平均值為：20mL自來水約能溶解12.4mL二氧化碳，即1體積水約能溶解0.62體積二氧化碳。因此使用自來水還是蒸餾水，在本實(shí)驗(yàn)中差別不大。

當(dāng)然，初中階段制取二氧化碳的藥品是石灰石與稀鹽酸，所以筆者也用石灰石代替碳酸鈣進(jìn)行了10次實(shí)驗(yàn)，得到的平均值為20mL水中約能溶解12.6mL二氧化碳，即1體積水約能溶解0.63體積二氧化碳，差別也不大。

經(jīng)過幾組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，筆者發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)中不論是用石灰石還是碳酸鈣制取二氧化碳，用自來水還是蒸餾水溶解二氧化碳，最終得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論差別不大。這就為實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)陋的部分學(xué)校提供了方便，可以在力所能及的實(shí)驗(yàn)條件下得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

本實(shí)驗(yàn)用注射器控制二氧化碳和水的量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更科學(xué)直觀，教師也可以適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生：因?yàn)榉Q量氣體的質(zhì)量較困難，所以氣體的溶解能力可以用體積表示。教師也可以增加一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)：常溫常壓下，將20mL空氣注入20mL水，可觀察到20mL水中僅能溶解約1mL空氣，即1體積水約能溶解0.05體積空氣。通過這樣的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更好地感受到“二氧化碳能溶于水”和“空氣難溶于水”的差別。

本實(shí)驗(yàn)只需二氧化碳20mL，而且注射器（不帶針頭）操作安全、簡(jiǎn)單，十分適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。教師只需提前準(zhǔn)備20份二氧化碳，每份20mL，總量才400mL，就能供一個(gè)班級(jí)使用。雖然總量和書本演示實(shí)驗(yàn)需要的二氧化碳的量差不多，但是分組實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生動(dòng)手操作和近距離觀察，更有助于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

除此之外，筆者查閱北師大、華中師大、南師大合編的《無機(jī)化學(xué)》下冊(cè)，發(fā)現(xiàn)以下內(nèi)容：溶解在水中的COZ大部分以弱的水合分子存在，只有1%～4%的CO2與H2O反應(yīng)生成H2CO3。碳酸是二元弱酸，其分步電離K2=5.61×1O-11[3]。筆者用上述實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)“1體積水約溶解0.68體積二氧化碳”進(jìn)行計(jì)算。在101KPa，298K時(shí)，氣體摩爾體積為24.5L/mol，因此實(shí)驗(yàn)中溶在水中的二氧化碳濃度為c（CO2）=2.78×10-2mol/L，假設(shè)有1%的CO2生成了H2CO3，則碳酸的濃度為c（H2CO3）=2.78×10-4mol/L，根據(jù)碳酸的一級(jí)電離常數(shù)，計(jì)算得到電離產(chǎn)生的氫離子濃度c（H+）=1.07×10-5mol/L，得到pH為4.98;假設(shè)有4%的CO2生成了H2CO3，計(jì)算得到電離產(chǎn)生的氫離子濃度c（H+）=2.16×10-5mol/L，得出pH為4.67。筆者用pH計(jì)測(cè)定了實(shí)驗(yàn)后所得溶液的pH，十次實(shí)驗(yàn)后的平均值均為5.10。理論值和實(shí)驗(yàn)值略有差別，可能還是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的限制。

參考文獻(xiàn)

[1]郁學(xué)梅.實(shí)驗(yàn)室二氧化碳?xì)怏w的收集及檢測(cè)方法再研究[J].化學(xué)教學(xué)，2014（7）：65-66

[2]陳明元.中學(xué)化學(xué)中二氧化碳溶于水的問題[J].化學(xué)教學(xué)，2014（9）：93-94

[3]吳國慶.無機(jī)化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003：567