初三化學“二氧化碳性質”公開課的實驗設計

張曉燕

摘要：介紹了“二氧化碳性質”公開課中的實驗設計方案及內容，如利用T型管比較二氧化碳與空氣的密度；利用針筒測定二氧化碳的溶解性；利用二氧化碳滅火器常溫下制備干冰。在二氧化碳性質傳統實驗上優化實驗方案，提高了教學有效性與趣味性。

關鍵詞：二氧化碳性質；公開課；實驗設計

文章編號：1005–6629（2015）9–0055–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

二氧化碳是學生繼學習氧氣后，又一非常重要的氣體。在氧氣的學習中，學生已經初步掌握一般學習規律即物質的物理性質、化學性質、用途以及制取方法，同時，了解了二氧化碳的基本性質及基本用途，所以本節課著重實驗部分，充分利用教師的演示實驗與學生實驗，突破原有的實驗定式，優化實驗方案，活躍學習氣氛，激發學生學習化學的興趣，在客觀上縮短了課本知識與學生之間的距離[1]。

1 實驗1 比較二氧化碳與空氣密度大小

圖1、圖2和圖3是常見的比較二氧化碳與空氣密度大小的方法。如圖1是比較常見的教師演示實驗，若傾倒二氧化碳時速度過快，造成二氧化碳剛倒入就散開了，結果造成上面的蠟燭先熄滅，下面的蠟燭后熄滅，對二氧化碳密度作出錯誤結論[2]。如圖2在鐵架臺上吊一平衡杠桿，兩邊掛兩個紙袋，往其中一側傾倒二氧化碳，杠桿發生傾斜，該實驗缺乏趣味性，且稍有空氣流動，就容易失敗。如圖3在托盤天平兩側放置兩個燒杯，調節平衡，往其中一個燒杯倒二氧化碳氣體，二氧化碳的密度是1.977克/升，如托盤兩邊的燒杯都是50毫升規格，則向一邊倒入二氧化碳氣體引起的質量變化理論上不足0.1克，靈敏性較差，實驗現象不明顯。

1.1 實驗儀器及用品

試管、T型玻璃管、玻璃導管、單孔塞、碳酸飲料、澄清石灰水

1.2 實驗裝置

如圖4所示。

1.3 實驗操作

（1）按照圖4連接裝置，在上下兩個試管中均裝入澄清石灰水。

（2）兩根導管分別伸入石灰水，略微振蕩碳酸飲料。

（3）對比觀察T型管兩端連接導管對應的石灰水變化情況。

1.4 實驗注意事項

（1）T型玻璃管需要呈圖4所示放置，可以允許氣體向上或向下流動。

（2）碳酸飲料略微振蕩，幅度不宜過大，避免液體進入T型玻璃管。

（3）注意連接部分的氣密性。

（4）連接的導管不宜過長，否則需要的二氧化碳量較多。

1.5 實驗改進的優點

（1）實驗成功率高，實驗現象明顯，容易操作。

（2）對比實驗，通過使用T型管，將無形的氣體流動變成有形，學生能感知到二氧化碳密度比空氣大，從下方導管流入澄清石灰水，使澄清石灰水變渾濁，同時上下兩支試管形成鮮明對比。

（3）碳酸飲料振蕩直接得到二氧化碳，節省了制取、收集及儲存二氧化碳的操作

2 實驗2 二氧化碳溶解性測定

圖5、圖6都可以用來證明二氧化碳可溶于水。如圖5，往裝滿二氧化碳的軟質塑料瓶中倒水，擰緊瓶蓋，充分振蕩，觀察到瓶子變癟；如圖6，將裝滿二氧化碳的試管倒置在水中，觀察到試管內液面上升。但這兩個實驗都需要預先收集二氧化碳氣體進行備用，實驗準備工作比較繁重或者當場收集二氧化碳，會造成實驗時間過長。

變換思維角度，能否有節省實驗準備時間、精簡實驗操作同時能更好地了解二氧化碳在水中的溶解能力的實驗？首先解決氣體來源，選擇使用生活中常見的碳酸飲料。經查閱資料，雪碧中二氧化碳的濃度為0.1361 mol/L[3]，大約1體積水中含3體積的二氧化碳。再解決裝置問題，我們從2013年普陀區中考化學質量抽查試卷中提到利用針筒將黃綠色的氯氣與水混合，達到飽和狀態時測定氯氣的溶解性，以及付小勤老師在“初三化學若干演示實驗的改進”[4]一文中多處使用針筒進行氣體實驗得到靈感，可以利用針筒進行該實驗。

2.1 實驗儀器及用品

60毫升針筒、燒杯、未開封的碳酸飲料（1瓶）、蒸餾水

2.2 實驗裝置及流程圖

如圖7所示。

2.3 實驗操作

（1）用不帶針頭的針筒抽取20毫升水。

（2）略微振蕩碳酸飲料。

（3）帶上針頭，從碳酸飲料瓶上方側壁穿刺。

（4）抽取至少20毫升以上的二氧化碳氣體，讀數。

（5）去掉針頭，用大拇指按住注射孔，充分振蕩。

（6）觀察針筒示數變化。

2.4 實驗注意事項

（1）由于試題中圖示的是氣液已經混合的體系，并沒有交代到底是先抽氣體還是先抽水，筆者嘗試用針筒先抽取二氧化碳氣體，再抽取水，但發現內壓過大，水很難抽取上來。

（2）注意在振蕩過程中不要用力過猛，造成二氧化碳氣體大量逸出；同時抽取過多的氣體造成針筒內壓力過大，會擠壓出一部分的水；如第一次實驗失敗，二氧化碳的量就不夠第二次實驗。

（3）從側壁插入針頭，針頭盡量往上，避免吸入液體，造成實驗失敗。

（4）抽取氣體量與水的比例至少大于1，同時充分振蕩，確保二氧化碳在水中達到飽和狀態。

2.5 實驗改進的優點

（1）使用碳酸飲料節省制取與收集二氧化碳的時間，且保證氣體的用量以及純度，整個實驗從抽取水到抽取二氧化碳再到充分振蕩，耗時約為3分鐘左右。

（2）針筒上帶有刻度，不僅可以得到二氧化碳可溶于水的結論，還可以精確進行讀數，多次實驗數據得到1體積水中最多能溶解約為0.8體積左右的二氧化碳氣體，從定性認識上升到了定量認識，有利于培養學生自覺養成嚴肅認真的科學態度。

（3）利用生活中常見的飲料及針筒就可以進行氣體溶解性測定實驗，不僅增加了趣味性，而且對實驗原理的理解更加深刻了。

3 實驗3 用二氧化碳滅火器制造干冰

理論上通常是將二氧化碳氣體在低溫高壓下先液化然后固化（如圖8），壓縮得到干冰，條件苛刻，在學校教學無法完成；若使用市面上制干冰機制干冰需要2500元以上不等，價格昂貴；若直接購買干冰約為15元每公斤，但易升華不好保存。

3.4 實驗注意事項

（1）操作中不可用手觸碰滅火器的金屬部位，液體二氧化碳轉化氣體時，整個滅火器金屬部分溫度非常低，易造成凍傷，在實驗中需要佩戴手套進行操作。

（2）用干布纏繞住封口，可減少二氧化碳氣體從袋口散逸出去，如溫度達不到理想的變化，易造成實驗失敗。

（3）收納袋需要預先扎好一些小孔，避免內壓過大造成破裂。

（4）二氧化碳滅火器中液體二氧化碳應盡量多，一次按壓可以得到較大量的氣體，同時可以提供足夠的低溫，若滅火器中液體二氧化碳僅剩一半或更少，按壓后只能觀察到產生氣體，收納袋中沒有白色固體形成。

查閱資料發現在二氧化碳滅火器中儲存有液體二氧化碳，工作原理是打開閥門后，減壓使得液體二氧化碳轉化成氣體，此時會吸收大量的熱量，在噴嘴口處形成非常低的溫度。可以利用這個溫度，將一部分液體二氧化碳氣化，另一部分受到溫度的驟然下降，發生狀態改變，形成固體二氧化碳。

3.1 實驗儀器及用品

二氧化碳滅火器、收納袋、干布、手套

3.2 實驗裝置及流程圖

如圖9所示。

3.3 實驗操作

（1）在透明收納袋上預先用細針扎好小孔。

（2）用收納袋套住滅火器的噴嘴，抽緊袋口。

（3）用干布纏繞住袋口。

（4）用手握住干布部分，去掉滅火器安全鎖，用力按壓閥門。

（5）在收納袋中得到未壓縮的白色干冰固體（如圖10所示）

3.5 實驗改進的優點

（1）利用二氧化碳滅火器可以隨時制備固體干冰，操作簡單，一次按壓可得到較多量的固體，利用零下溫度計測定溫度，可以達到零下70多度，可以保持固體狀態5～6分鐘左右。

（2）2公斤裝的液體二氧化碳滅火器約250元，可以制備10次左右固體，價格適中。

（3）使用透明的收納袋代替布袋，可視性效果好，能觀察到氣體觸碰到收納袋壁后變成白色固體的過程。

（4）按壓閥門時伴隨有巨大的聲響，實驗效果震撼。

（5）制得的干冰放于容器中，可以接著做后續的二氧化碳的化學性質實驗，避免了后期再次制備氣體，物質得到了充分利用。

化學實驗是化學學科的基礎和靈魂，它在培養學生的學習興趣與科學探究能力、體驗知識的產生與發展等方面均起著不可替代的作用。在新課程改革背景下，化學教師更應積極探索，不斷優化實驗教學。

參考文獻：

[1]王程杰.中學化學實驗研究[M].上海：華東師范大學出版社，2005：18.

[2]周玉枝.美好的化學實驗[M].上海：浦東教育發展研究院課程教學研究部，2012.

[3]朱子豐，何鳳云，陳凱，趙鈞若.定量測定雪碧中二氧化碳含量實驗的設計[J].教學儀器與實驗，2009，（5）：12～13.

[4]付小勤.初三化學若干演示實驗的改進[J].化學教學，2012，（3）：47～49.