以自制试纸整合二氧化碳性质检验实验

陈崇琳 张晓慧 李洁琼 高和军 廖运文

西华师范大学化学化工学院(637000) 西华师范大学教育学院(637000) 四川省宜宾市叙州区第二中学校(644600) 西华师范大学化学化工学院(637000)

1 问题的提出

“二氧化碳的实验室制取和性质”是课程标准规定的8个基础学生实验之一[1],也是初中化学的重点教学内容。人教版9年级化学教材第6单元课题3对二氧化碳的性质进行探究[2],教材对二氧化碳的系列性质探究实验步骤作出描述,但是教师在课堂上进行实验演示时,时常出现许多问题。例如,教材第117页“倾倒二氧化碳”实验中,将二氧化碳倒入烧杯时,常出现上方蜡烛先熄灭或气体倒完后两支蜡烛都未熄灭的现象,影响教学效果;教材第118页用石蕊纸花、醋酸、水、二氧化碳组合反应来探究二氧化碳与水反应的性质,教师需进行大量实验准备,操作繁琐且费时。以上实验探究不仅药品消耗量大,还存在实验易失败、操作繁琐、演示时间较长等问题。

针对教材实验中的问题,不少研究者对实验装置或药品进行了改进研究:赵雅萍[3]用纸巢作轨道进行二氧化碳灭火的阶梯实验,实验趣味性强;胡巢生[4]通过改装的燃烧匙对二氧化碳的灭火实验装置进行改进;张晓燕[5]用自制T型玻璃管装置比较二氧化碳与空气的密度大小;李德前[6]用塑料瓶将二氧化碳的灭火实验和二氧化碳与水反应的实验结合;谢丹敏[7]利用自制二氧化碳储存罐和具支试管制作装置,将二氧化碳的制取与性质检验实验进行一体化改进,节省了二氧化碳的制取与收集时间。以上改进实验在二氧化碳的某一性质检验中取得良好的效果,但是还存在自制装置复杂、改装困难等问题。

2 设计思路

基于以上研究者的改进基础和对教材实验的分析,整合实验将选用实验室易得的原料与器材,继续对二氧化碳的性质检验实验装置进行一体化设计:

(1)甄晓敏在二氧化碳制取和性质“一锅化”实验设计[8]中,将酚酞滴入澄清石灰水,再通入二氧化碳,观察到红色澄清石灰水逐渐变无色,同时,溶液逐渐变浑浊,该实验现象明显。结合上述实验启发,一体化实验将使用自制酚酞-澄清石灰水试纸与二氧化碳反应,通过观察自制红色酚酞-澄清石灰水试纸颜色变化的位置,验证二氧化碳的密度比空气大。一体化实验用该步骤替代二氧化碳灭火实验。

(2)用干燥、湿润的蓝色石蕊试纸,验证二氧化碳能与水发生反应、碳酸的酸性和不稳定性。

(3)在同一个装置中使用自制红色酚酞-澄清石灰水试纸和干燥、湿润的蓝色石蕊试纸,可同时对二氧化碳的密度、可燃性与助燃性、与水反应、碳酸的酸性与不稳定性进行检验。

3 实验仪器与药品

仪器:具支试管(40 mm×150 mm)、酒精灯、铁架台(带铁夹)、火柴。

药品:二氧化碳、蓝色石蕊试纸、酚酞、澄清石灰水、蒸馏水。

4 实验原理

二氧化碳的性质:

(1)物理性质:密度比空气大。

(2)化学性质:①不可燃烧、一般情况下不具有助燃性;②易溶于水且会与水发生反应,生成物呈酸性:CO2+H2O=H2CO3;③碳酸不稳定,易分解为二氧化碳和水:H2CO3=CO2↑+H2O。

5 实验装置

实验装置如图1所示。

图1 二氧化碳性质检验一体化实验装置

6 二氧化碳性质检验一体化

如图1所示实验安装二氧化碳性质检验一体化实验装置，并在白纸条上先后涂抹酚酞和澄清石灰水，制作成红色的酚酞-澄清石灰水试纸，贴在具支试管远离支口一侧的内壁，同时贴上干燥的蓝色石蕊试纸和的蓝色石蕊试纸，将二氧化碳通入具支试管中。

实验开始后,观察到红色的自制酚酞-澄清石灰水试纸从下到上由红色变为无色(见图2)。由于二氧化碳能与澄清石灰水反应,使澄清石灰水碱性变弱,因此能观察到自制酚酞-澄清石灰水试纸红色变浅最后变为无色;同时自制酚酞-澄清石灰水试纸颜色变化是从下到上,说明二氧化碳的密度比空气大。通过自制酚酞-澄清石灰水试纸颜色变化的位置可验证二氧化碳的密度比空气大。

将点燃的火柴伸入具支试管中,火柴熄灭,验证二氧化碳不具有可燃性、一般情况下不具有助燃性。

图2 酚酞-澄清石灰水试纸颜色变化

如图3(b)所示,湿润的蓝色石蕊试纸变红,干燥的蓝色石蕊试纸无明显变化,图3(a)中湿润未接触二氧化碳的蓝色石蕊试纸也无明显变化,说明二氧化碳能与水发生反应,且反应后生成的物质呈酸性,该物质能使湿润的蓝色石蕊试纸变红。

停止通入二氧化碳,点燃酒精灯加热具支试管,观察到湿润的蓝色石蕊试纸由红色变为蓝色,见图3(c),说明碳酸不稳定,加热易分解。

(a) (b) (c) 图3 石蕊试纸颜色变化

7 实验说明

制作酚酞-澄清石灰水试纸时,先将酚酞均匀涂抹至白色小纸条上,再涂抹澄清石灰水,便于纸条吸附溶液着色。

检验二氧化碳的密度时,虽然向贴有湿润蓝色石蕊试纸的具支试管中通入二氧化碳也能观察到蓝色石蕊试纸的颜色从下到上由蓝色变为浅红色,并得出二氧化碳的密度比空气密度大的结论,但是由于湿润的蓝色石蕊试纸的颜色变化不如自制酚酞-澄清石灰水试纸的颜色变化明显,因此在实验中选用自制酚酞-澄清石灰水试纸探究二氧化碳密度的实验现象。

8 一体化装置的优点

(1)在具支试管中同时放入干燥蓝色石蕊试纸、湿润蓝色石蕊试纸和自制红色酚酞-澄清石灰水试纸,可检验二氧化碳的密度、可燃性与助燃性、能与水反应、碳酸的酸性和不稳定性等,同一个装置可以对二氧化碳的多个性质进行检验。

(2)实验成功率高。用自制酚酞-澄清石灰水试纸的颜色变化和火柴熄灭来验证二氧化碳的密度、可燃性与助燃性,有效解决了二氧化碳灭火实验易失败的问题。

(3)实验装置简易,不用对器材进行改装即可使用。

(4)实验药品与器材易得,实验所使用的蓝色石蕊试纸、酚酞、酒精灯、火柴等在实验室即可找到,使用的具支试管(40 mm×150 mm)也可在网上进行购买,经济实惠,解决了改装装置器材不常见的问题,有利于实验的普及。

(5)实验操作简单、节约药品。一体化实验装置解决了二氧化碳性质检验过程中操作繁琐费时、药品消耗量大的问题。

9 结论

“二氧化碳的实验室制取和性质”是初中化学学习的重点,对二氧化碳的制取和性质检验进行学习,有利于巩固旧知识——碳的单质,也有利于学习新知识——为酸碱盐的学习打好基础,还能培养学生将理论与实际生活相联系的能力。同时,“二氧化碳的实验室制取和性质”也是课程标准规定的8个基础学生实验之一,由于该课题涉及的实验较多、操作繁琐费时、药品消耗量大、灭火实验成功率不高,教师在教学过程中多选择以实验视频代替课堂实验,学生在学习时难以有参与感,会影响教师的教学效果。该一体化实验装置具有操作简单、现象明显、成功率高、节约药品、利于课堂展示与普及等优点,便于广大教师借鉴参考,提高学生学习化学的兴趣。