“二氧化碳的實驗室制取與性質(zhì)”實驗的運(yùn)用及改進(jìn)案例分析

項鑫

在初中化學(xué)教學(xué)實踐中，實驗教學(xué)是備受關(guān)注的內(nèi)容，一方面是因為實驗可以將抽象的理論內(nèi)容具象化，從而讓學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容有更深刻的理解，另一方面是通過實驗可以讓學(xué)生對化學(xué)學(xué)習(xí)需要具備的思維有所了解。二氧化碳的實驗制取是初中化學(xué)實驗教學(xué)中的基礎(chǔ)實驗之一，明確此實驗的具體過程并對實驗的運(yùn)用進(jìn)行研究，同時思考實驗開展的具體改進(jìn)措施，對于進(jìn)一步提升教學(xué)實效性有顯著價值。

一、“二氧化碳的實驗室制取與性質(zhì)”實驗

（一）實驗原理與目的

本實驗旨在讓學(xué)生掌握二氧化碳的實驗室制取與性質(zhì)的實驗方法，了解二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)；親自動手操作實驗過程，觀察實驗現(xiàn)象，理解實驗原理，培養(yǎng)他們的實驗技能和科學(xué)探究精神。

（二）實驗材料與設(shè)備

試管、燒杯、塑料膜、橡皮筋、溫度計、蠟燭、二氧化碳發(fā)生裝置、pH試紙等。

（三）實驗步驟與操作

1.準(zhǔn)備實驗材料與設(shè)備：（1）將石灰石放入試管中，加入稀鹽酸，觀察反應(yīng)過程。（2）用塑料膜包裹試管口，用橡皮筋固定，將溫度計插入試管口附近。（3）將試管放入裝有水的燒杯中，用蠟燭燃燒產(chǎn)生的熱量加熱試管，記錄溫度變化。（4）將二氧化碳通入燒杯的水中，觀察pH試紙的變化。（5）整理實驗器材，清理實驗現(xiàn)場。

2.實驗操作：（1）將石灰石放入試管中，加入稀鹽酸，觀察反應(yīng)過程。石灰石與稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，此時會看到石灰石表面產(chǎn)生大量氣泡并產(chǎn)生劇烈反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，用排水法收集產(chǎn)生的氣體。（2）用塑料膜包裹試管口，用橡皮筋固定，將溫度計插入試管口附近。這樣做是為了防止氣體泄漏，同時監(jiān)測反應(yīng)過程中的溫度變化。（3）將試管放入裝有水的燒杯中，用蠟燭燃燒產(chǎn)生的熱量加熱試管，記錄溫度變化。加熱過程中，注意調(diào)整蠟燭的位置和火焰大小，保持試管內(nèi)的液體均勻受熱。同時注意觀察溫度計的變化，記錄下反應(yīng)過程中的溫度數(shù)據(jù)。（4）將二氧化碳通入燒杯的水中，觀察pH試紙的變化，并記錄下pH。（5）整理實驗器材，清理實驗現(xiàn)場。在完成實驗后，需要將使用過的器材和設(shè)備進(jìn)行整理和清潔，以便下次使用。同時要清理實驗現(xiàn)場，確保實驗室的整潔和衛(wèi)生。

（四）實驗結(jié)果與討論

通過實驗操作，我們可以觀察到以下實驗結(jié)果：（1）石灰石與稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生大量氣泡并產(chǎn)生劇烈反應(yīng)，說明該反應(yīng)能產(chǎn)生大量二氧化碳?xì)怏w。（2）用塑料膜包裹試管口并固定后，能有效防止氣體泄漏。在加熱過程中監(jiān)測到溫度變化范圍較小，說明反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體種類較為單一。（3）將試管放入裝有水的燒杯中并用蠟燭加熱后，記錄到的溫度數(shù)據(jù)表明該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。（4）將二氧化碳通入燒杯的水中后，觀察到pH試紙的顏色發(fā)生變化，說明二氧化碳溶于水后會使溶液呈酸性。

根據(jù)以上實驗結(jié)果，我們可以進(jìn)行如下討論：在制取二氧化碳的過程中，稀鹽酸與石灰石反應(yīng)產(chǎn)生的氣體為二氧化碳。由于稀鹽酸具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，因此在收集氣體時需要注意防止氣體泄漏。此外，由于該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因此在加熱過程中需要注意控制溫度變化范圍，避免因溫度過高導(dǎo)致試管破裂或氣體爆炸等問題的發(fā)生。

二、“二氧化碳的實驗室制取與性質(zhì)”實驗的運(yùn)用

“二氧化碳的實驗室制取與性質(zhì)”實驗的運(yùn)用需要強(qiáng)調(diào)兩點：

1.需要關(guān)注實驗室制備。實驗室制備二氧化碳通常采用鹽酸鹽和石灰石反應(yīng)，反應(yīng)方程式為：CaCO3+2HCl== CaCl2+H2O+CO2↑

就具體的實驗操作來看，步驟為：（1）將石灰石粉碎成粉末狀，放入試管中。（2）向試管中加入適量的稀鹽酸，將試管固定在鐵架臺上。（3）用排水法收集產(chǎn)生的氣體，將收集的氣體通過導(dǎo)管排出。（4）將收集到的氣體通入澄清的石灰水中，觀察石灰水的變化。如果石灰水變渾濁，說明產(chǎn)生了二氧化碳?xì)怏w。

2.對實驗運(yùn)用進(jìn)行分析。為了保證實驗的效果，需要明確注意事項，具體為：（1）在實驗過程中穿戴實驗服和護(hù)目鏡等防護(hù)用品。（2）在加入試劑時，要按照試劑的用量和順序進(jìn)行添加，以免影響實驗結(jié)果。（3）在收集氣體時，要注意氣體的排出方向，避免發(fā)生氣體排出過快或產(chǎn)生爆炸等危險情況。（4）在將氣體通入澄清石灰水時，要保證氣體的流量和時間足夠，以便觀察到明顯的實驗現(xiàn)象。（5）在實驗結(jié)束后，要將試管和實驗器材清洗干凈，以便下次使用。同時要清理實驗現(xiàn)場，保持實驗室的整潔和衛(wèi)生。

三、“二氧化碳的實驗室制取與性質(zhì)”實驗的改進(jìn)案例

（一）改進(jìn)實驗原理

第一是反應(yīng)原理改進(jìn)。傳統(tǒng)的二氧化碳實驗室制取方法主要基于鹽酸的反應(yīng)原理。然而，這種方法存在一些問題，如反應(yīng)速度較慢、收集難度較大等。為了解決這些問題，我們可以采用以下方法改進(jìn)：（1）使用碳酸鈣和稀鹽酸作為反應(yīng)物：將碳酸鈣和稀鹽酸加入同一反應(yīng)容器中，攪拌均勻后加熱，這樣可以加快反應(yīng)速度并提高產(chǎn)氣效率。同時，由于產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w壓力較大，可以更容易將其收集到集氣瓶中。（2）使用石灰石和稀鹽酸作為反應(yīng)物：將石灰石粉碎成粉末狀，與稀鹽酸混合攪拌均勻后加熱。這種方法可以產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)怏w，并且由于反應(yīng)溫度較高，可以縮短反應(yīng)時間。

第二是氣體收集改進(jìn)。在收集二氧化碳?xì)怏w時，傳統(tǒng)的方法是使用向上排空氣法。但是這種方法比較麻煩，并且容易混入空氣中的雜質(zhì)。為了解決這個問題，我們可以使用雙導(dǎo)管集氣瓶：將導(dǎo)氣管插入雙導(dǎo)管集氣瓶的左側(cè)，讓產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w通過左側(cè)導(dǎo)管進(jìn)入集氣瓶中。同時，將右側(cè)導(dǎo)管連接到水槽中，讓水通過右側(cè)導(dǎo)管進(jìn)入集氣瓶中，以保持集氣瓶內(nèi)外壓力的平衡。這樣就可以收集到純凈的二氧化碳?xì)怏w。

第三是性質(zhì)實驗改進(jìn)。二氧化碳的性質(zhì)實驗中主要包括二氧化碳不支持燃燒、能使澄清石灰水變渾濁、與水反應(yīng)生成碳酸等。為了更好地展示這些性質(zhì)，我們可以采用以下改進(jìn)方法：（1）采用數(shù)字化傳感器，以更準(zhǔn)確地測量二氧化碳的濃度、溫度等參數(shù)。例如，在驗證二氧化碳不支持燃燒的性質(zhì)時，可以通過數(shù)字化傳感器測量燃燒物周圍的二氧化碳濃度，以更準(zhǔn)確地判斷其是否能夠支持燃燒。（2）增加對比實驗。例如，在驗證二氧化碳能使澄清石灰水變渾濁的性質(zhì)時，可以同時進(jìn)行空白實驗和對比實驗，以更直觀地觀察變化情況。

（二）實驗裝置改進(jìn)

為了提高“二氧化碳實驗室制取與性質(zhì)”實驗的效率和安全性，我們需要對實驗裝置進(jìn)行改進(jìn)。（1）裝置封閉性改進(jìn)。傳統(tǒng)的實驗裝置往往存在封閉性不好的問題，容易導(dǎo)致氣體泄漏。為了解決這個問題，我們可以采用以下措施：首先，使用密封性能更好的橡膠塞或硅膠塞來封閉反應(yīng)容器。其次，在連接管道處使用密封圈和緊固件，確保管道連接處不漏氣。最后，在氣體收集過程中，使用水封法或排空氣法等方法避免氣體泄漏。（2）安全性提升改進(jìn)。首先，在實驗過程中使用通風(fēng)設(shè)施來避免室內(nèi)二氧化碳濃度過高導(dǎo)致空氣污染。其次，在進(jìn)行危險性較高的實驗操作時，如加熱反應(yīng)物等，應(yīng)在專業(yè)人員的指導(dǎo)下進(jìn)行或者運(yùn)用自動化設(shè)備進(jìn)行操作。最后，在使用酸堿等危險品時，應(yīng)佩戴防護(hù)眼鏡、手套等防護(hù)用品，并按照安全規(guī)范進(jìn)行操作。（3）操作簡便性改進(jìn)。為了提高實驗操作的簡便性，我們可以在裝置利用方面采取如下工作：①使用數(shù)字化傳感器來測量反應(yīng)過程中的溫度、壓力等參數(shù)，減少手動測量的操作煩瑣性。②采用自動控制系統(tǒng)來控制反應(yīng)過程中的溫度、壓力等參數(shù)，提高實驗的自動化程度。③采用試劑盒、試紙等簡便的檢測方法來檢驗氣體的性質(zhì)，減少手動操作的步驟。

（三）實驗步驟改進(jìn)

為了提高實驗效率、減少誤差，我們對實驗步驟進(jìn)行了改進(jìn)：

1.實驗準(zhǔn)備：選擇合適的反應(yīng)物，如石灰石與稀鹽酸，并準(zhǔn)備相應(yīng)的實驗裝置。

2.裝置搭建：按照改進(jìn)后的實驗裝置圖搭建實驗設(shè)備，確保裝置的氣密性良好。

3.反應(yīng)條件優(yōu)化：將反應(yīng)物的溫度、壓力等參數(shù)控制在最佳范圍內(nèi)，以提高反應(yīng)速度和產(chǎn)氣效率。（1）控制反應(yīng)物的濃度和比例，如增加稀鹽酸的濃度可以提高反應(yīng)速度。（2）控制反應(yīng)溫度和壓力，如升高溫度可以加快反應(yīng)速度，增加壓力可以增加產(chǎn)氣效率。（3）加入適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，如金屬氧化物可以顯著提高反應(yīng)速度。（4）控制反應(yīng)時間，適當(dāng)延長反應(yīng)時間可以提高產(chǎn)氣效率。

4.產(chǎn)物收集與純度提升：采用排水法收集二氧化碳?xì)怏w，并通過化學(xué)反應(yīng)將雜質(zhì)氣體去除，以提高產(chǎn)物純度。具體的執(zhí)行方法：（1）采用排水法收集二氧化碳?xì)怏w，避免傳統(tǒng)向上排空氣法中混入空氣中的雜質(zhì)。（2）在收集裝置中加入一個洗氣瓶，通過化學(xué)反應(yīng)將雜質(zhì)氣體去除，如用氫氧化鈉溶液吸收酸性氣體雜質(zhì)。（3）在性質(zhì)實驗中采用試劑盒、試紙等簡便的檢測方法來檢驗氣體的性質(zhì)，減少手動操作的步驟和誤差。（4）對每個批次產(chǎn)物的純度進(jìn)行嚴(yán)格檢測和把控，確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5.環(huán)境保護(hù)措施：合理處理實驗廢棄物，減少對環(huán)境的污染。

6.實驗數(shù)據(jù)分析：采用數(shù)字化傳感器測量反應(yīng)過程中的溫度、壓力等參數(shù)，并記錄實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（四）實驗產(chǎn)物性質(zhì)研究改進(jìn)

1.產(chǎn)物性質(zhì)的理論研究：在實驗開始前，通過理論分析研究二氧化碳的性質(zhì)，包括物理性質(zhì)（如密度、溶解度等）和化學(xué)性質(zhì)（如與水的反應(yīng)、與堿的反應(yīng)等），為實驗過程中的現(xiàn)象解釋和后續(xù)的實驗改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。

2.產(chǎn)物收集和純度檢驗的改進(jìn)：二氧化碳?xì)怏w收集和純度檢驗環(huán)節(jié)，可以嘗試采用不同的方法來提高產(chǎn)物純度和收集效率，如可以通過改變導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)、增加氣體干燥劑的使用、優(yōu)化收集容器等手段來實現(xiàn)。

3.反應(yīng)條件控制的精細(xì)化：在反應(yīng)條件控制方面，可以嘗試進(jìn)一步精細(xì)化控制反應(yīng)溫度、壓力、反應(yīng)物濃度等參數(shù)，以探究不同反應(yīng)條件對二氧化碳性質(zhì)的影響。例如，通過對比不同濃度的酸與不同種類的鹽反應(yīng)，觀察產(chǎn)物的差異，進(jìn)而深入了解反應(yīng)機(jī)理。

4.實驗數(shù)據(jù)分析的深入化：分析實驗數(shù)據(jù)時可以利用先進(jìn)的儀器和軟件，如質(zhì)譜儀、紅外光譜儀等，對二氧化碳的性質(zhì)進(jìn)行深入的研究。例如，可以通過測量二氧化碳的紅外光譜來研究其分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵等信息。

5.環(huán)保和安全性的考慮：實驗過程中，應(yīng)盡量避免對環(huán)境的污染和實驗安全事故的發(fā)生。例如，可以選擇使用環(huán)保型的實驗材料，如非揮發(fā)性的酸和鹽。同時，在實驗過程中要規(guī)范操作，避免因誤操作導(dǎo)致的安全事故。

6.實驗設(shè)備的升級換代：隨著科技的發(fā)展，一些新的實驗設(shè)備不斷涌現(xiàn)。例如，數(shù)字化實驗室、自動化實驗室等新型實驗室設(shè)施可以為實驗提供更好的環(huán)境和條件。升級換代實驗設(shè)備，可以提高實驗效率、精確度和安全性。

7.綜合多個學(xué)科知識：“二氧化碳的實驗室制取與性質(zhì)”實驗涉及多個學(xué)科領(lǐng)域的知識，如化學(xué)、物理、生物學(xué)等。對這些學(xué)科知識的綜合運(yùn)用，可以讓學(xué)生更全面地了解二氧化碳的性質(zhì)及其變化過程，為實驗改進(jìn)提供更多思路和方法。

綜上所述，在初中化學(xué)教學(xué)實踐中，針對“二氧化碳的實驗室制取與性質(zhì)”實驗，學(xué)生需要認(rèn)真操作實驗，觀察實驗現(xiàn)象并記錄且分析數(shù)據(jù)。同時，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考以下問題：如何通過控制稀鹽酸的滴入速度來控制反應(yīng)速率？為什么二氧化碳不能燃燒，也不支持燃燒？生活中有哪些實際應(yīng)用場景與二氧化碳的性質(zhì)有關(guān)？教師通過實驗和思考，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維。

（作者單位：廈門五緣實驗學(xué)校）

編輯：常超波