二氧化碳制取和性质检验实验分析及改进方略

颜燕

摘 要：二氧化碳的制取和性质检验实验是初中阶段重要的化学实验之一，但在课本实验设计方案中还存在不连贯性、繁琐性、不安全性等局限性，不利于教师的课堂演示和学生分组实验，针对局限性，对实验装置、药品使用等方面进行改良，设计更具有简洁性、连贯性、安全性、可操作性的优化实验方案，并对优化实验方案的优缺点进行分析，使该实验方案更适用于课堂教学。

关键词：二氧化碳制取；性质检验；优化实验

二氧化碳制取和性质检验实验是人教版九年级上册教材第六单元的内容，是课程标准中要求学生必须进行分组实验的8个实验之一[1]，也是中考的高频考点。在学习氧气的制取和性质检验实验时，学生对气体发生装置、收集装置的选择，气体除杂和性质探究等知识都有了一定的了解，为二氧化碳的制取和性质检验实验奠定了一定的理论和实践基础。第七单元讲解的氢气制取和收集内容与二氧化碳的制取和收集有相似之处，因此，二氧化碳的相关知识在课本内容安排上处于承前启后的地位。教师通常会以氧气的制取为例来分析二氧化碳的制取，按照原理分析、装置选择、实验步骤、性质探究的顺序进行，但不同的物质性质不同，实验方案也会有一定的区别，不能直接照搬。教材旨在使学生对二氧化碳的制取原理、装置和性质有简单、系统的理解，书本呈现的方案在现实教学操作中还存在一定的局限性。本研究将对书本实验设计及有关改进方案进行系统分析，并设计适合课堂教学使用的优化方案。

1 教材实验及其改进方案分析

1.1 教材方案分析

教材中提出的制取二氧化碳的收集装置有如下两种：a、b装置都是最简单典型的固液常温型发生装置（见图1），从装置器材角度研究，其具有简便的优点，但在实际教学操作中还存在如下局限性：两装置皆不能控制反应的发生和停止，当锥形瓶中液体过多时不利于二氧化碳气体的导出，也会影响新加入锥形瓶中稀盐酸的质量浓度，从而影响二氧化碳产生的速度，甚至可能导致一部分液体被压回长颈漏斗或是橡胶塞被气压挤开，埋下安全隐患。b装置由于仪器限制无法在制取过程中及时添加药品，无法满足制取大量二氧化碳的需求。

教材将二氧化碳的制取和性质检验分为两个课题，实验也分为两个部分，导致实验不连贯，耗时太长，不利于课堂操作[2]。在进行二氧化碳的性质检验教学时，教师需提前制取二氧化碳后转移至演示教室，且按教材设计，对二氧化碳的量和份数有一定要求，在部分性质检验实验里有一定的操作技巧但教材未详细说明，这些综合因素将会造成如下问题：（1）只注重让学生学习最简单的制取二氧化碳的方法和收集方法，却忽略了除杂过程；（2）未对利用实验室原理制得的以二氧化碳为主的混合气体进行除杂处理，从而造成对性质检验实验结果的错误判断；（3）未实现二氧化碳的现制现用，在出现连排课时制取时间紧张，且在运输途中容易逸散，不便于开展多班级教学[3]；（4）需要的二氧化碳量不容易掌握，容易因二氧化碳不足导致实验失败；（5）性质检验实验分步較繁琐，且部分实验需要一定的技巧才能成功，增加了学生对实验步骤的理解和对实验现象及结论进行分析的难度。

1.2 改进方案分析

通过文献查阅发现，针对二氧化碳的制取和性质检验实验的改进，前人已有许多创造性研究成果，并在实验装置改造和药品使用等方面提出了许多改进方案，但这些方案有的偏向于将绿色化学融入实验方案，使用生活废物利用的方法进行家庭实验改良，使学生更容易获得实验材料，在家开展实验。这类方案简单便捷，适于学生开展家庭小实验，培养他们的学习兴趣，但不适用于课堂规范实验教学。有的改进方案虽然装置设计别出心裁，但并没有将课本所要求检验的二氧化碳基本性质检验完全，未能达到课堂教学的要求，且将二氧化碳在本课题中还未涉及的其他性质放入方案探究，增加了教学量且对学生的要求提高，在拓展学生知识方面有积极意义，但增加了本课题的课堂教学压力。还有的方案虽然在内容和装置上都改良得很完善，但操作过程晦涩难懂，不便于学生理解实施。

针对以上方案的不足，本项目提出下述优化方案。

2 优化方案设计

2.1 实验目的

制取二氧化碳并为其除杂，验证二氧化碳与水反应的产物能使石蕊溶液变红、二氧化碳密度比空气大、二氧化碳不燃烧也不支持燃烧、二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊、二氧化碳能溶于水。

2.2 实验器材和药品

器材：分液漏斗、锥形瓶、去盖小药瓶（生活中废弃的）、橡胶塞、导气管（直管和弯管）、粗铜丝、胶皮管、止水夹、干燥管、铁架台、三通管、火柴、5个小矿泉水瓶、棉花、蓝色石蕊试纸、烧杯。

药品：稀盐酸、大理石、饱和碳酸氢钠溶液、无水氯化钙、澄清石灰水、蒸馏水。

2.3 实验原理

2.4 实验装置

将实验装置结合实验目的分为3个部分。发生装置将教材实验a装置的长颈漏斗改成分液漏斗（见图2）。实验时先将大理石放入锥形瓶中，从分液漏斗中加入稀盐酸。在橡胶塞上加了一根与去盖小药瓶相连接的粗铜丝，粗铜丝可以上下抽动，当锥形瓶中液体过多时可以将粗铜丝下移，将一部分液体转移到小药瓶里。

除杂装置为两个依次连接的干燥管，实验时依次装入蘸有饱和碳酸氢钠溶液的棉花和无水氯化钙，为防止氯化钙固体被气流带入干燥管口造成仪器堵塞、排气不畅，可在固体后放置一小团棉花。该除杂装置依次除去了二氧化碳中混有的氯化氢气体和水。

性质检验装置中使用了4个小矿泉水瓶，将4个瓶子分别从距离瓶口1/3高度的位置切下，留下剩余的2/3备用，取两个矿泉水瓶的剩余部分，将底部各钻10个小洞，在一个瓶底的内侧和另一个瓶底的外侧都各放一张干燥的蓝色石蕊试纸和一张湿润的蓝色石蕊试纸，切口相对嵌套，然后用胶密封，且在距离两个瓶底相同的位置剪一个恰好能插入导气管的小洞，并插入一支导气管，用胶密封，再向剩下的两个矿泉水瓶备用部分中的一个滴入适量澄清石灰水，后将切口部分分别套在之前两个瓶底的位置，其中，滴有澄清石灰水的位于下方，再用胶密封后将该部分利用胶皮管连接在三通管的一个分叉支管上。

2.5 实验步骤

2.5.1 检查装置气密性

关闭分液漏斗活塞和性质检验装置下方止水夹，打开性质检验装置上方止水夹，并将此处导气管下端管口伸入烧杯中的液面以下，隔石棉网微热锥形瓶，若导气管口有气泡冒出，停止微热，导气管中形成一段稳定的水柱，说明装置气密性良好。

2.5.2 装药品，再组装仪器

优化实验总装置步骤如下（见图3）：

（1）將分液漏斗、带小药瓶的粗铜丝、导气管依次安装在带孔橡胶塞上，再套入装有大理石的锥形瓶口。

（2）将倒气管依次连接蘸有饱和碳酸氢钠溶液和装有无水氯化钙的干燥管，并将干燥管固定在铁架台上。

（3）利用三通管将检验装置连接在干燥管之后。

2.5.3 性质检验

打开发生装置中的止水夹，关闭性质检验装置的上方止水夹，打开下方止水夹，打开分液漏斗活塞，滴入锥形瓶的稀盐酸开始与大理石反应。一段时间后发现干燥的蓝色石蕊试纸不变色，湿润的蓝色石蕊试纸从下至上依次变红，变色现象说明二氧化碳自身不能使石蕊变色，是其与水反应生成的碳酸使石蕊变色，由下至上的变色顺序说明二氧化碳密度比空气密度大。下方澄清石灰水变浑浊，说明二氧化碳能与澄清石灰水反应而使其变浑浊。然后，关闭性质检验装置中的下方止水夹，打开上方止水夹，将点燃的火柴放在上方导气管口，火柴迅速熄灭，说明二氧化碳本身不能燃烧也不能支持燃烧。接下来，撤掉火柴，将一空软矿泉水瓶放在该位置，用向上排空气法收集一瓶气体，之后向瓶里倒入约1/3体积的水，拧上瓶盖振荡，振荡后，发现矿泉水瓶变瘪，说明二氧化碳能溶于水。

3 优化实验优缺点分析

3.1 优点分析

发生装置部分分液漏斗的使用实现了对反应发生的控制，将小药瓶拴在可抽动的铜丝上可以带走部分多余液体，从而保持二氧化碳的制取速度并使二氧化碳能顺利排出。

对于除杂装置课本上未进行设计讲解，在课堂新课教学顺序中其应处于制取和性质检验之间，但由于这两个知识点被分成了两个课题，除杂问题往往容易被忽略。制取所得的二氧化碳中混有水和盐酸挥发出来的少量氯化氢气体，但在许多习题和实验设计中常常忽略了杂质中的氯化氢气体，这些都将对二氧化碳本身不能使石蕊变色，是其与水反应生成的碳酸使石蕊变色这条性质的检验产生干扰。在班级流动和分组实验时，药品移动时液体药品容易洒出，使用蘸有碳酸氢钠饱和溶液的棉花比直接使用饱和碳酸氢钠溶液更方便，也更安全，且减少了溶液使用量，所需装置安装也比较简单，在除杂的同时还产生二氧化碳，在一定意义上节约了原料药品。常见的干燥方法为使用浓硫酸，浓硫酸有较强的腐蚀性，在学生分组进行实验时，使用浓硫酸存在一定的安全隐患，换用无水氯化钙固体药品能达到干燥的效果且较为安全。

优化实验后将二氧化碳的制取、除杂、性质检验融为一体，实现了教学思路的连贯性，也使得性质检验所用的二氧化碳较为纯净，减少了对实验的干扰。二氧化碳即制即用，不需要提前收集，既避免了二氧化碳的逸散，也避免了课堂实验中二氧化碳的量准备不足而导致实验失败的尴尬局面。在教材中设计的性质检验实验都是分步进行的，较为繁琐，且有些步骤容易失败。比如教材利用燃烧的梯级蜡烛验证二氧化碳密度比空气大、不燃烧也不支持燃烧的性质，如若使用的二氧化碳量不够或者倾倒的角度不合适都有可能出现蜡烛不熄灭或者上层蜡烛先熄灭的现象，失败率高，而优化实验将其与二氧化碳使紫色石蕊溶液变红的性质检验实验放在一起，不仅简化了实验流程且成功率增加，可操作性增强。教材在二氧化碳使湿润的石蕊试纸变色性质检验实验中使用了4朵小花进行了5步操作检验，过程较为繁琐，且实验时间长，优化后实验较为简洁。

3.2 缺点分析

在发生装置中，小药瓶只能将液体取出一次，持续性还有待加强。其中，小药瓶的规格应视锥形瓶规格而定，选用材料时应选用合适的规格。用性质检验装置处理并安装矿泉水瓶的同时要装入药品，处理时也要确保安装后装置的密封性，确保气密性良好，且使用该装置未证明碳酸易分解。

4 结语

化学是一门以实验为基础的自然科学，基于学生刚接触化学学习的初中阶段背景，以教师在实际教学中应利用实验操作激发学生学习兴趣为基础，以改善教材中二氧化碳的制取和性质检验实验及其多种实验改进方案中所存在的局限性为目标，从实验装置的改进和药品的使用着手，设计了更适合课堂教学且具有简洁性、连贯性、安全性、可操作性的优化实验方案。

[参考文献]

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准[M].2011年版.北京：人民教育出版社，2011.

[2] 唐丽华.制取二氧化碳及其性质的实验改进[J].中小学实验与装备，2016，26（2）：37.

[3] 朱清勇，瞿生林.妙用废矿泉水瓶改进二氧化碳制取装置[J].实验教学与仪器，2015，32（7）：110.