氧氣、二氧化碳制驗(yàn)裝置一體化設(shè)計(jì)與探究

潘佳俐

摘要：利用自制的固液反應(yīng)裝置、雙嘴抽濾瓶等實(shí)驗(yàn)器材，對(duì)初中課本中氧氣、二氧化碳制取與性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)和實(shí)踐探究。實(shí)踐表明，設(shè)計(jì)的一體化裝置使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，有利于學(xué)生的觀察和體驗(yàn)，提高了課堂教學(xué)效率。此外，該裝置制作成本低、功能多、應(yīng)用廣、安全簡(jiǎn)便，還解決了環(huán)保問(wèn)題，體現(xiàn)了綠色化學(xué)理念等。

關(guān)鍵詞：氧氣；二氧化碳；一體化裝置

文章編號(hào)：1008-0546（2023）07-0094-04 中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.019

在初中化學(xué)的學(xué)習(xí)中，研究物質(zhì)的性質(zhì)是一項(xiàng)重要任務(wù)，研究的方法包括觀察法、實(shí)驗(yàn)法等。氧氣和二氧化碳是初中階段詳細(xì)研究的兩種氣體物質(zhì)，因此在教學(xué)中不僅要讓學(xué)生掌握這兩種氣體的性質(zhì)，還要讓學(xué)生體會(huì)到研究物質(zhì)性質(zhì)的方法。浙教版八年級(jí)下冊(cè)對(duì)這兩種氣體的教學(xué)是借助于實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，歸納出物質(zhì)的性質(zhì)。[1]

但在教學(xué)實(shí)踐中，我發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)教材實(shí)驗(yàn)存在一些不足。關(guān)于氧氣的實(shí)驗(yàn)有以下不足：（1）需要在課前制備并收集數(shù)瓶氧氣備用，消耗大量的時(shí)間和精力。如果課堂現(xiàn)制現(xiàn)用，教學(xué)時(shí)間不夠影響教學(xué)進(jìn)度；（2）集氣瓶中收集的氧氣有限，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，濃度不斷下降，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯且持續(xù)時(shí)間短，學(xué)生來(lái)不及觀察；（3）硫在氧氣中燃燒生成的SO2未及時(shí)處理，污染大氣，影響師生健康；（4）粉末狀MnO2難以回收利用，不便用于驗(yàn)證催化劑反應(yīng)前后質(zhì)量不變的性質(zhì)。而關(guān)于二氧化碳的實(shí)驗(yàn)也存在以下不足：（1）在對(duì)比CO2與空氣密度大小時(shí)，受氣流、儀器容積、操作等因素的影響很大，成功率不高；（2）書(shū)本未設(shè)置CO2與NaOH反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，但這個(gè)反應(yīng)在初中化學(xué)中起著承上啟下的作用。近年來(lái)也有很多教師從實(shí)驗(yàn)裝置、催化劑的種類(lèi)、溫度、反應(yīng)物濃度等方面對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，[2-4] 但涉及到這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的一體化設(shè)計(jì)幾乎沒(méi)有。為此，我開(kāi)展了氧氣、二氧化碳制取與性質(zhì)檢驗(yàn)裝置的一體化設(shè)計(jì)，并在新課和復(fù)習(xí)課教學(xué)中運(yùn)用了該裝置，均取得了較好的教學(xué)效果。

一、實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

1. 實(shí)驗(yàn)儀器

塑料瓶、短玻璃管、塑料羽毛球、雙嘴抽濾瓶、集氣瓶、燒杯、玻璃棒、酒精燈、燃燒匙、止水夾、橡皮管、橡膠塞、電子天平、注射器、氣球、蠟燭、橡皮筋、濾紙、鑷子、石棉網(wǎng)、火柴、小噴瓶等。

2. 實(shí)驗(yàn)藥品

雙氧水、二氧化錳、水泥、木炭、硫粉、鐵絲、澄清石灰水、藍(lán)色石蕊試紙、石灰石、7.3%稀鹽酸、飽和氫氧化鈉溶液、25%鹽酸、蒸餾水等。

二、實(shí)驗(yàn)原理

利用這套裝置我們可以制取并檢驗(yàn)氧氣的化學(xué)性質(zhì)，制取氧氣的化學(xué)反應(yīng)方程式為“雙氧水（H2O2）MnO 2= 水（H2O）+氧氣（O2）”。再對(duì)比硫粉、木炭、鐵絲在空氣和在氧氣中燃燒的不同現(xiàn)象驗(yàn)證氧氣的性質(zhì)。我們還可以在反應(yīng)前后稱(chēng)取塊狀MnO2的質(zhì)量，驗(yàn)證催化劑反應(yīng)前后質(zhì)量不變的性質(zhì)。該裝置還可以用來(lái)制取二氧化碳，化學(xué)反應(yīng)方程式為“酸酸鈣（CaCO 3 ）+鹽酸（HCl） = 氯化鈣（CaCl2）+水（H2O）+二氧化碳（CO2）”，并驗(yàn)證二氧化碳與水、氫氧化鈉、澄清石灰水等反應(yīng)的化學(xué)性質(zhì)，以及二氧化碳密度比空氣大的物理性質(zhì)等。

三、實(shí)驗(yàn)裝置

“氧氣制取與性質(zhì)檢驗(yàn)”常規(guī)裝置如圖1所示，改進(jìn)裝置如圖2所示。

“二氧化碳制取與性質(zhì)檢驗(yàn)”常規(guī)實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，改進(jìn)裝置如圖4所示。

四、操作要點(diǎn)

1. 自制固液反應(yīng)器

第一步取兩個(gè)飲料瓶，一根短玻璃直管，將玻璃短管的兩頭放在火焰上加熱。加熱到一定程度后，在同一水平高度穿進(jìn)兩個(gè)塑料瓶的瓶身，再在玻璃管和塑料瓶的間隙上涂上熱熔膠，使兩瓶靠近并擠壓，確保瓶子的密封性，最后左瓶瓶口上塞上帶導(dǎo)管的橡皮塞，如圖5所示。第二步是檢查裝置的氣密性，關(guān)閉止水夾，往右瓶中注水，若發(fā)現(xiàn)水不會(huì)流入左瓶，則證明氣密性良好。第三步是安裝多孔塑料板，這里我們非常巧妙地用塑料羽毛球代替了多孔塑料板，塑料羽毛球恰好能從瓶口放入瓶中，并且放進(jìn)去以后會(huì)自然展開(kāi)，而且塑料材質(zhì)的羽毛球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐酸堿，不易和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，最后用熱熔膠把它固定在瓶底中心。

2. 塊狀二氧化錳的制取

塊狀MnO2的制作方法是：用電子天平稱(chēng)取一定量的二氧化錳和水泥，其質(zhì)量比為4∶1，[5] 再加適量的水?dāng)嚢杈鶆?，壓?shí)壓平后切割成一塊錢(qián)硬幣大小的正方體，24小時(shí)晾干固化后再用水沖洗，最后晾干備用（如圖6所示）。用這種塊狀MnO2做催化劑，產(chǎn)生氧氣的速度適中，氣流平穩(wěn)，且方便回收利用。

3. 氧氣制取和性質(zhì)檢驗(yàn)

按圖2連接好裝置，將塊狀MnO2放入羽毛球中，不要超過(guò)羽毛球的邊緣，塞上橡皮塞，往儲(chǔ)液瓶中倒入適量的 5%的 H2O2溶液，集氣瓶中裝入澄清石灰水。打開(kāi)止水夾，待H2O2溶液流入反應(yīng)瓶中與MnO 2接觸后，O2就平穩(wěn)地產(chǎn)生了。過(guò)一段時(shí)間后，用帶火星的木條驗(yàn)滿，木條復(fù)燃證明O2已集滿。接著用鑷子夾取一小塊木炭，放在酒精燈上灼燒，發(fā)現(xiàn)木炭在空氣中只能燒至發(fā)紅。再把木炭放入集滿O2抽濾瓶中，發(fā)現(xiàn)木炭劇烈燃燒，發(fā)出耀眼的白光。取出木炭，蓋上橡皮塞，隨后CO2排入集氣瓶中，澄清石灰水變渾濁。反應(yīng)結(jié)束后把集氣瓶中的澄清石灰水換成NaOH溶液，一段時(shí)間后又開(kāi)始驗(yàn)滿。待帶火星的木條復(fù)燃后，再在鋪有細(xì)沙的燃燒匙里放入一定量的硫粉，放在酒精燈上加熱直至燃燒，發(fā)現(xiàn)硫在空氣中燃燒產(chǎn)生淡藍(lán)色的火焰。然后把燃燒匙伸入集滿O2的抽濾瓶中，發(fā)現(xiàn)硫劇烈燃燒放出大量熱并發(fā)出明亮的藍(lán)紫色火焰。此時(shí)關(guān)閉止水夾，待抽濾瓶冷卻后，集氣瓶里一部分NaOH溶液倒吸入抽濾瓶中，輕輕振蕩使SO 2被NaOH充分吸收。反應(yīng)結(jié)束后又打開(kāi)止水夾，繼續(xù)收集滿一瓶O2，此時(shí)取石棉網(wǎng)上的細(xì)鐵絲繞成螺旋狀，下端系上火柴點(diǎn)燃，待火柴將要燃盡時(shí)，立即伸入抽濾瓶中，發(fā)現(xiàn)鐵絲在O2中劇烈燃燒火星四射，產(chǎn)生大量熱，并生成一種黑色固體。整個(gè)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象穩(wěn)定且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，如圖7所示。裝置一體化設(shè)計(jì)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)流程的優(yōu)化，可以省略很多步驟，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)化繁為簡(jiǎn)，大大地提高了教學(xué)效率。

4. 二氧化碳制取和性質(zhì)檢驗(yàn)

按圖4連接好裝置，將塊狀大理石放入塑料羽毛球中，塞上橡皮塞，往儲(chǔ)液瓶中加入適量的7.3%的稀鹽酸溶液。抽濾瓶中放入干燥的和濕潤(rùn)的藍(lán)色石蕊小花并塞上橡皮塞，集氣瓶中裝入澄清石灰水。打開(kāi)止水夾，讓稀鹽酸流入反應(yīng)瓶中與大理石接觸。隨著CO2的通入，我們發(fā)現(xiàn)瓶中干燥的藍(lán)色石蕊小花沒(méi)有變色而濕潤(rùn)的藍(lán)色石蕊小花變成了紅色，澄清石灰水也逐漸變渾濁，這說(shuō)明CO2能與水反應(yīng)生成碳酸，和澄清石灰水反應(yīng)生成沉淀。接著用燃燒的木條驗(yàn)滿，木條熄滅證明CO2已集滿，再把小氣球放入抽濾瓶中，關(guān)閉兩邊的止水夾。然后往抽濾瓶中先注入20 mL的蒸餾水，并輕輕振蕩，發(fā)現(xiàn)小花都變成紅色了，小球沒(méi)有變化。再注入20 mL的飽和NaOH溶液，小花又變成藍(lán)色，小球鼓起來(lái)了，接著輕輕振蕩，發(fā)現(xiàn)小球越鼓越大，這是因?yàn)镹aOH能與CO2反應(yīng)，使瓶?jī)?nèi)的氣壓快速下降。最后注入一定量的鹽酸，發(fā)現(xiàn)溶液中產(chǎn)生了大量的氣泡，小球又逐漸變扁了，這是因?yàn)镠Cl與生成的Na2CO 3 反應(yīng)又產(chǎn)生了CO2，使瓶?jī)?nèi)氣壓增大，整個(gè)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖8所示。反應(yīng)結(jié)束后，再將發(fā)生裝置與自制的CO2密度檢驗(yàn)裝置相連如圖9，比較CO 2和空氣密度的大小，我們發(fā)現(xiàn)蠟燭自下而上熄滅，說(shuō)明CO2的密度比空氣大，CO2不燃燒也不支持燃燒。

五、改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

1. 自制的氣體制備裝置優(yōu)點(diǎn)

材料易得、造價(jià)低，制作簡(jiǎn)單、生活化；攜帶輕便、不易破損，可重復(fù)使用、安全性高；具有通用性，可用于O2、CO2、H2等初中常見(jiàn)氣體的制備；還能控制反應(yīng)的發(fā)生和停止，一定程度上也能控制反應(yīng)速率。

2. 氧氣制取與檢驗(yàn)裝置的改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

MnO2制成塊狀以后有利于控制反應(yīng)速率，還有利于回收再利用；用塊狀MnO2來(lái)驗(yàn)證催化劑反應(yīng)前后質(zhì)量不變的性質(zhì)，簡(jiǎn)單方便；解決了多班上課問(wèn)題，不僅節(jié)約了藥品也節(jié)約了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高了課堂教學(xué)效率；由于氧氣不斷地通入，抽濾瓶中的氧氣得到了充分補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間且現(xiàn)象明顯，有利于學(xué)生的觀察和體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；增加了尾氣處理裝置，防止有毒氣體SO2污染大氣，影響師生健康，體現(xiàn)了綠色化學(xué)理念，增強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。

3. 二氧化碳制取與檢驗(yàn)裝置的改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)化了裝置，優(yōu)化了流程，節(jié)約了藥品和時(shí)間，提高了課堂效率；用改進(jìn)后的裝置驗(yàn)證CO2的性質(zhì)，對(duì)比性更強(qiáng)，成功率更高，并能更好地培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理能力；對(duì)比CO2與空氣密度大小的實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)以后不再受氣流、儀器容積、操作等因素的影響，成功率幾乎百分之百；增加了CO2與NaOH反應(yīng)，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，突出了教學(xué)重難點(diǎn)。

總的來(lái)說(shuō)，氧氣、二氧化碳制取與性質(zhì)檢驗(yàn)的一體化裝置，材料易得，操作簡(jiǎn)單，功能多，運(yùn)用價(jià)值廣，能使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。利用該裝置可以讓學(xué)生體驗(yàn)到整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，這套一體化裝置綜合性非常強(qiáng)，不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，還有利于提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)整合能力和創(chuàng)新意識(shí)。在今后的新課和復(fù)習(xí)課教學(xué)中，我們可以引入該裝置并結(jié)合課本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比教學(xué)，激活學(xué)生的學(xué)習(xí)思維和分析綜合能力等。

參考文獻(xiàn)

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