初中化學“二氧化碳的實驗室制取與性質”實驗的改進方略

杜杏衛 鐘思怡

(廣東省深圳人大附中深圳學校 518119)

化學實驗教學可以增強學生的觀察能力、動手能力以及科學探究能力，同時也可以調動學生的學習積極性，把知識理論由傳統的口頭傳授變成學生主動的探究，從而獲得成就感.在人教版初中化學教材中，二氧化碳的實驗室制取與性質為學生必做的8個基礎實驗之一，因此該實驗在現行初中化學教學中占有非常大的比重.在以往的實驗過程中存在以下幾個問題：為了保證后面的性質實驗的順利進行，大理石(或石灰石)和稀鹽酸的用量較多；實驗裝置也較為復雜；所需實驗儀器較多.基于上述原因，為了達到更好的教學效果，筆者在參考大量文獻及課堂教學的反復實踐摸索，對二氧化碳氣體的制取和性質實驗進行優化創新改進，有效克服以上弊端.改進后，實驗操作更簡單、現象明顯、時間更短、避免了雜質對實驗現象產生干擾，也順應了綠色化學的時代要求.

1 教材中原反應的不足

人教版初中化學教材中實驗活動2 二氧化碳的實驗室制取與性質的實驗裝置如圖1所示.

圖1

這兩種裝置是現在課堂教學中常用裝置，但在實際教學操作過程中還存在著一些局限性：

(1)反應藥品用量無法控制，會造成產生的二氧化碳氣體不足,需要反復添加，從而保障有足夠的二氧化碳氣體可供后面的性質實驗使用，但如果產量過多就會造成空氣污染.此外當二氧化碳氣體大量生成時會造成噴發使得部分液體被壓到導氣管中或橡膠塞被頂開，影響實驗結果；

(2)收集的二氧化碳氣體在轉移過程中容易逸出，導致后期實驗失敗；

(3)性質檢驗實驗步驟較為繁瑣,且所需二氧化碳氣體較多，實驗完畢后造成剩余，需要近一步進行尾氣處理，以免造成大氣污染，違背綠色化學的時代要求.

2 創新設計

2.1 改進方案的分析

通過查閱大量文獻發現，針對二氧化碳的制取和性質檢測實驗的改進，前人已經有了許多的研究成果，包含實驗室裝置的改造、藥品的使用、檢測方法的改良、實驗家庭化等諸多方面，但這些實驗中還是在儀器的使用數量以及藥品的用量上存在著一定的缺陷，同時操作過程有些過于繁瑣，不便于學生的理解并加以實施操作，且有些實驗設計理念相當完美，但實際操作起來卻難以達到預期目的.由此，本項目針對以上方案中的不足，做出進一步的優化探究.在本實驗摒棄以往的傳統發生裝置，用新型氣體實驗器(手槍管)進行適當的改裝，在管口連接一單孔膠塞，連接導氣管導出二氧化碳氣體到小燒杯中進行高低蠟燭熄滅實驗，同時對比以往高低蠟燭實驗僅能驗證二氧化碳氣體不支持燃燒這一性質，在此時此實驗中事先在燒杯中放置一個底部有小孔的薄鋁片把導氣管和蠟燭隔開，玻璃導氣管只需要伸入燒杯口以下就可以，不必伸到燒杯底，這樣既驗證了二氧化碳氣體不支持燃燒，也可以驗證二氧化碳氣體的密度比空氣大，同時也有效避免了“二氧化碳氣體擴散造成上層蠟燭熄滅”這一疑問.同時筆者在手槍管中的凹槽中分別加入干燥的白色濾紙片以及干、濕的藍色石蕊試紙和澄清石灰水進行性質實驗，從而實現了二氧化碳氣體的制取和性質實驗同步完成，此外為了排除氯化氫氣體的對性質檢驗的干擾，在手槍管彎曲部位塞入一團蘸有飽和碳酸氫鈉溶液的棉花進行除雜.

2.2 實驗用品

儀器：新型氣體實驗器(手槍管)，單孔橡膠塞，直角玻璃導管，紫色石蕊試紙，膠頭滴管，鑷子，高度不同的兩只生日蠟燭，25mL小燒杯，橡膠管，止水夾，火柴，棉花，事先剪裁好的底部帶孔的薄鋁片

藥品：大理石(或石灰石)，稀鹽酸，澄清石灰水,飽和碳酸氫鈉溶液

2.3 實驗原理

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.4 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示.

圖2

2.5 實驗步驟

2.5.1 檢查實驗裝置的氣密性

關閉止水夾，塞緊橡膠塞，將導氣管下端管口伸到燒杯中的液面以下，雙手握緊手槍管，若導氣管口有氣泡冒出，松開手，導氣管中形成一段穩定水柱，說明裝置氣密性良好.

2.5.2 先裝藥品，再組裝儀器

打開橡膠塞，用鑷子在手槍管底部加入大約5g大理石；平放手槍管，在手槍管彎曲部分及三個凹槽內由里到外依次加入蘸有飽和碳酸氫鈉溶液的棉花、干燥的白色濾紙片、干燥的藍色石蕊試紙、潤濕后的藍色石蕊試紙、澄清石灰水，塞緊膠塞后將手槍管水平固定在鐵架臺上；導氣管下端伸到預先放置好高低蠟燭的燒杯杯口以下，不宜過長.

2.5.3 性質檢驗

用火柴點燃蠟燭，打開止水夾用膠頭滴管向手槍管底部緩慢加入3-5mL的稀鹽酸后再迅速加緊止水夾，反應開始.幾秒鐘后發現潤濕的白色紙片和干燥的藍色石蕊試紙均沒有發生變色，潤濕的藍色石蕊試紙變紅，這說明二氧化碳氣體自身不能使藍色石蕊變色，與水反應后生成的碳酸是藍色石蕊變色的根本原因.澄清石灰水先變渾濁后隨著時間的延長又變澄清，這說明二氧化碳氣體能使澄清石灰水變渾濁，隨著反應的進行，二氧化碳氣體的增多，導致生成的碳酸鈣轉化成可溶性的碳酸氫鈣.然后發現蠟燭從低到高依次熄滅，由于事先用一個底部帶孔的薄鋁片把導氣管和蠟燭隔開，從而排除二氧化碳氣體擴散對實驗的干擾，成功完成了實驗，通過此現象既說明了二氧化碳氣體不支持燃燒，也說明了二氧化碳氣體的密度比空氣大.

2.6 注意事項

(1)在發生裝置中，由于反應過程中所需二氧化碳氣體不多，所以反應試劑不需要過量，否則會造成不必要的浪費.

(2)取用大理石時，盡量選取顆粒較大的，但不能過大，這樣反應速率不會過快，速度適中，可以有效地與凹槽內的物質相互反應，從而出現明顯的反應現象.

(3)加入稀鹽酸時，溶液的濃度不要過高，防止反應發生劇烈，此外加入的量不要過多，不要超過彎曲部分的2/3，防止過多的鹽酸反應過程中流到旁邊的凹槽中.影響實驗的進行，導致實驗失敗.

(4)橫放手槍管時，由于凹槽深度較淺，要緩慢放平穩，防止里面的物質相互污染，此外導氣管不要伸入手槍管太長.

(5)燒杯中要事先固定放置一個底部為有小孔的薄鋁片，這樣使導氣管與蠟燭分開，導氣管的底部只需要伸到燒杯口下一點，不需要直接伸到底部.

3 優化實驗優缺點分析

3.1 優點分析

(1)現場制備，即時進行性質檢驗，非常便捷，避免了實驗過程中的裝置的拆裝問題，省去了氣體收集的環節，從而縮短了整個實驗操作時間，實現了教學思路的連貫性，也使得性質檢驗所用的二氧化碳氣體較為純凈，減少了對實驗的干擾.

(2)通過在燒杯中固定薄鋁片做擋板，排除了二氧化碳氣體的擴散的干擾，從而更充分有效地證明了二氧化碳氣體的不可燃性，同時也證明二氧化碳氣體的密度比空氣大.

(3)在本次實驗中由于采用了新型氣體發生器(手槍管)，既節省了藥品試劑的用量，綠色環保，反應時間短實驗在幾秒鐘就能觀察到明顯的現象，產生的污染也相對較少.

(4)該實驗可反復操作，實驗成功率高，且簡單易操作，實驗現象明顯，便于學生分組實驗.

3.2 缺點分析

(1)反應過程中由于是連貫性實驗，澄清石灰水的用量較少，變渾濁時間較短，這就要求學生要注意仔細觀.

(2)該實驗裝置未設計證明碳酸易分解和二氧化碳氣體易溶水的相關步驟.

在初中化學教學過程中，按照教材的編排順序分步完成教學后，教師可以在已有知識基礎上改進初中化學教材實驗的可操作性，可以提高實驗的成功率，使實驗現象更加明顯，提高化學教材實驗的教學效果，激發學生的學習興趣，啟發引導學生設計出更適合課堂教學且簡潔、連貫、可操作的優化實驗方案，培養學生的創新能力，鍛煉學生科學探究精神.