宏微結(jié)合視域下CO₂性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)

吳冰玉

摘要：人教版初中化學(xué)教材中CO₂的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生難以從宏觀現(xiàn)象挖掘微觀層面的知識；為此利用注射器與醫(yī)用二通閥對二氧化碳的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的裝置具有環(huán)保、操作簡單、現(xiàn)象明顯、有定量數(shù)據(jù)支撐、趣味性強(qiáng)等特點(diǎn)，有助于學(xué)生從宏觀現(xiàn)象理解反應(yīng)的微觀原理。

關(guān)鍵詞：宏微結(jié)合；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；二氧化碳的性質(zhì)；實(shí)驗(yàn)探究

1 問題的提出

二氧化碳的制取與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)對培養(yǎng)學(xué)生的氣體制備思想、化學(xué)反應(yīng)與變化思想、宏微結(jié)合思想有著十分重要的作用。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)均選用排空氣法作為收集二氧化碳的方式，用點(diǎn)燃的木條放置在集氣瓶瓶口，通過熄滅與否來驗(yàn)證二氧化碳是否集滿，而二氧化碳在空氣中的體積分?jǐn)?shù)只要超過?30%就能使點(diǎn)燃的木條熄滅^[1]，因此傳統(tǒng)的排空氣法與驗(yàn)滿方法無法保證所收集二氧化碳的純度；另一方面，二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)沒有十分明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、氫氧化鈉與澄清石灰水吸收二氧化碳的能力對比實(shí)驗(yàn)裝置較為復(fù)雜，很少有老師會在班級里進(jìn)行該能力對比實(shí)驗(yàn)，而是直接給出吸收二氧化碳選用氫氧化鈉的結(jié)論，學(xué)生沒有經(jīng)歷知識構(gòu)建的過程。

鑒于上述情況，選取醫(yī)用注射器與醫(yī)用二通閥為實(shí)驗(yàn)器材，在簡化實(shí)驗(yàn)操作與儀器的同時，保證了所收集二氧化碳的純度；利用注射器的刻度線提供數(shù)據(jù)支撐，從定量角度幫助學(xué)生感知二氧化碳的溶解能力；簡化了二氧化碳的相關(guān)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)操作與教師實(shí)驗(yàn)課前準(zhǔn)備工作，通過更為簡便的操作與直觀的現(xiàn)象來幫助學(xué)生構(gòu)建二氧化碳的性質(zhì)知識體系。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

選60mL醫(yī)用注射器和醫(yī)用二通閥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)（見圖1）：在二氧化碳的制取與收集中，簡化了驗(yàn)滿的操作，保證了收集氣體的純度問題；在二氧化碳的溶解性實(shí)驗(yàn)中，利用注射器刻度線提供定量的數(shù)據(jù)支持，幫助學(xué)生辨析“能”“易”溶于水的溶解性有何不同；在二氧化碳與水的反應(yīng)過程中，簡化實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)驗(yàn)流程，幫助學(xué)生快速獲取信息，精準(zhǔn)控制了二氧化碳的體積這一變量相同；在二氧化碳的檢驗(yàn)與吸收中，通過注射器刻度線的宏觀現(xiàn)象幫助學(xué)生從微觀層面感悟、辨析氫氧化鈉與澄清石灰水吸收二氧化碳的能力強(qiáng)弱。

2.1二氧化碳的制備

2.1.1實(shí)驗(yàn)用品

60mL醫(yī)用注射器、醫(yī)用二通閥、鑷子；大理石、稀鹽酸（1：1）。

2.1.2實(shí)驗(yàn)方案

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示：

2.1.3實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象

（1）拉動注射器的活塞抽取部分空氣后連接醫(yī)用二通閥，旋緊二通閥旋鈕，向下推動注射器活塞，活塞可以被推動一部分（分子間存在空隙），松手后活塞回落到原位，說明氣密性良好。

（2）在注射器中放置2小塊大理石，吸取適量的稀鹽酸（約15mL），觀察到大理石遇到稀鹽酸表面產(chǎn)生大量的氣泡；

（3）打開二通閥的旋鈕，等待反應(yīng)一段時間（意圖：把裝置內(nèi)空氣排空，也可以直接用活塞推出空氣），利用二通閥連接另一支注射器，用手固定制取裝置的活塞，靜置等待產(chǎn)生的CO₂氣體將另一支注射器活塞推動；

（4）收集所需要的體積CO₂氣體后，拔掉收集裝置，用另一個二通閥密閉注射器。

2.1.4改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)操作簡單，實(shí)驗(yàn)儀器來自于生活，富有趣味性，也可改為家庭實(shí)驗(yàn)，把大理石和稀鹽酸更換為雞蛋殼和白醋（本裝置可小型化至10mL注射器用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)）。

（2）實(shí)驗(yàn)綠色環(huán)保，所用試劑較少。

（3）無需對二氧化碳進(jìn)行傳統(tǒng)的驗(yàn)滿操作，且保證了收集氣體的純度。

2.2二氧化碳的溶解性實(shí)驗(yàn)

2.2.1實(shí)驗(yàn)用品

60mL醫(yī)用注射器、醫(yī)用二通閥、蒸餾水。

2.2.2實(shí)驗(yàn)方案

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案如圖3所示（水溫20℃）：

2.2.3實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象

（1）準(zhǔn)備收集了20mL二氧化碳?xì)怏w的注射器1和吸取了20mL蒸餾水的注射器2；

（2）連接兩注射器，打開二通閥的旋鈕，將20mL蒸餾水注射入另一支盛有20mL二氧化碳?xì)怏w的注射器1中，觀察活塞所處刻度線位置，活塞一開始處于刻度線40mL處（20mL蒸餾水+20mL二氧化碳）；

（3）旋緊二通閥旋鈕，密封后震蕩注射器1；

（4）再次讀取注射器1的活塞位置刻度，觀察到震蕩后注射器活塞向上移動，最后處于30mL處，說明二氧化碳能溶于水。（多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，震蕩后刻度均停留在30mL左右，溶解體積比始終都不接近教材中描述的約為1：1，可能的原因在教學(xué)反思中進(jìn)行詳述。）

2.2.4改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）操作簡便，相較于收集一整瓶塑料瓶氣體（約350—500mL），本實(shí)驗(yàn)只收集了20mL氣體，大大節(jié)省了收集二氧化碳?xì)怏w的時間。

（2）有定量的數(shù)據(jù)支撐學(xué)生認(rèn)知，現(xiàn)象明顯，幫助學(xué)在宏觀現(xiàn)象與微觀世界之間搭建橋梁。

（3）可在家進(jìn)行家庭實(shí)驗(yàn)，也可在學(xué)校進(jìn)行學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

（4）可以進(jìn)一步設(shè)計學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)：探究二氧化碳的實(shí)際溶解能力并進(jìn)行誤差分析，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與批判精神。

2.3二氧化碳與水的反應(yīng)

2.3.1實(shí)驗(yàn)用品

白紙、60mL注射器、醫(yī)用二通閥、紫色石蕊試紙、表面皿、吹風(fēng)機(jī)、醋酸、蒸餾水、二氧化碳

2.3.2實(shí)驗(yàn)方案

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案如圖4所示：

2.3.3實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象

（1）向干燥的紫色石蕊試紙滴加酸，蓋上表面皿，紫色石蕊試紙變紅；

（2）向干燥的紫色石蕊試紙滴加水，蓋上表面皿，紫色石蕊試紙不變色；

（3）將盛有二氧化碳的注射器貼近干燥的紫色石蕊試紙，緩慢地注射20mLCO₂氣體，蓋上表面皿，紫色石蕊試紙變紅；

（4）將盛有二氧化碳的注射器緩慢地向濕潤的紫色石蕊試紙注射20mL?CO₂氣體，蓋上表面皿，紫色石蕊試紙變紅；

（5）用吹風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)吹步驟（4）的試紙，發(fā)現(xiàn)試紙從紅色變回紫色，說明碳酸分解。

2.3.4改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）綠色環(huán)保，明顯節(jié)省了所需實(shí)驗(yàn)試劑與收集二氧化碳的時間。

（2）實(shí)驗(yàn)操作簡便，現(xiàn)象對比十分明顯。

（3）可以讓學(xué)生利用衛(wèi)生紙與富含天然指示劑的食品自制酸堿試紙，代替紫色石蕊試紙，在家進(jìn)行家庭實(shí)驗(yàn)，自主探究二氧化碳與水反應(yīng)。

2.4二氧化碳的檢驗(yàn)與吸收

2.4.1實(shí)驗(yàn)用品

60mL注射器、醫(yī)用二通閥、小燒杯、澄清石灰石、氫氧化鈉溶液

2.4.2實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)方案如圖5所示（室溫25℃）：

2.4.3實(shí)驗(yàn)步驟與現(xiàn)象

（1）準(zhǔn)備好兩支盛有40mLCO₂的注射器，另取兩支注射器分別吸取等體積（本實(shí)驗(yàn)吸取20mL）氫氧化鈉溶液和澄清石灰水；

（2）利用二通閥將氫氧化鈉溶液和澄清石灰水分別注入兩支盛有40mLCO₂的注射器，密封兩支注射器后震蕩。

（3）觀察兩支針筒上的刻度，發(fā)現(xiàn)吸取氫氧化鈉溶液的注射器活塞下降更多，可以定量感受到氫氧化鈉吸收CO₂能力更強(qiáng)，引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)CO₂用澄清石灰水，因?yàn)橛袦啙岈F(xiàn)象；除去CO₂用氫氧化鈉，因?yàn)槲漳芰Ω鼜?qiáng)。

2.4.4改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）利用針筒上的刻度，可以定量的感受到氫氧化鈉吸收CO₂的能力更強(qiáng)；

（2）培養(yǎng)學(xué)生控制變量的思想。

3反思

在二氧化碳的溶解性實(shí)驗(yàn)中，多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二氧化碳與水的體積比并不接近1：1，在查閱資料進(jìn)行綜合分析后，認(rèn)為造成這一現(xiàn)象的原因如下：一是二氧化碳的實(shí)際溶解度就是在20℃，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，1 體積水中能溶解 0.88 體積的二氧化碳。二是二氧化碳溶于水的速度比較慢，根據(jù)相平衡計算和電離平衡計算，CO₂在水里的擴(kuò)散系數(shù)很小，其數(shù)量級為10^-5cm²·s^-1，擴(kuò)散阻力很大^［2］，所以本實(shí)驗(yàn)即使充分震蕩，但時間有限（僅進(jìn)行了1分鐘左右），也無法保證獲得了飽和溶液；有利用傳感技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)在通常情況下，二氧化碳?xì)怏w在水中的溶解速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二氧化碳的制取速率^[3]。氣體的溶解度隨溫度的增大而減小，因此排熱水法也不失為收集二氧化碳?xì)怏w的一種方式，在保證了純度的同時，可以觀察到氣體流速和收集情況。

參考文獻(xiàn)：

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