宏微結合視域下CO₂性質實驗的再改進

吳冰玉

摘要：人教版初中化學教材中CO₂的性質實驗中，學生難以從宏觀現象挖掘微觀層面的知識；為此利用注射器與醫用二通閥對二氧化碳的性質實驗進行改進，改進后的裝置具有環保、操作簡單、現象明顯、有定量數據支撐、趣味性強等特點，有助于學生從宏觀現象理解反應的微觀原理。

關鍵詞：宏微結合；實驗改進；二氧化碳的性質；實驗探究

1 問題的提出

二氧化碳的制取與性質實驗對培養學生的氣體制備思想、化學反應與變化思想、宏微結合思想有著十分重要的作用。傳統實驗均選用排空氣法作為收集二氧化碳的方式，用點燃的木條放置在集氣瓶瓶口，通過熄滅與否來驗證二氧化碳是否集滿，而二氧化碳在空氣中的體積分數只要超過?30%就能使點燃的木條熄滅^[1]，因此傳統的排空氣法與驗滿方法無法保證所收集二氧化碳的純度；另一方面，二氧化碳與氫氧化鈉反應沒有十分明顯的實驗現象、氫氧化鈉與澄清石灰水吸收二氧化碳的能力對比實驗裝置較為復雜，很少有老師會在班級里進行該能力對比實驗，而是直接給出吸收二氧化碳選用氫氧化鈉的結論，學生沒有經歷知識構建的過程。

鑒于上述情況，選取醫用注射器與醫用二通閥為實驗器材，在簡化實驗操作與儀器的同時，保證了所收集二氧化碳的純度；利用注射器的刻度線提供數據支撐，從定量角度幫助學生感知二氧化碳的溶解能力；簡化了二氧化碳的相關性質實驗操作與教師實驗課前準備工作，通過更為簡便的操作與直觀的現象來幫助學生構建二氧化碳的性質知識體系。

2 實驗改進

選60mL醫用注射器和醫用二通閥進行實驗改進（見圖1）：在二氧化碳的制取與收集中，簡化了驗滿的操作，保證了收集氣體的純度問題；在二氧化碳的溶解性實驗中，利用注射器刻度線提供定量的數據支持，幫助學生辨析“能”“易”溶于水的溶解性有何不同；在二氧化碳與水的反應過程中，簡化實驗器材與實驗流程，幫助學生快速獲取信息，精準控制了二氧化碳的體積這一變量相同；在二氧化碳的檢驗與吸收中，通過注射器刻度線的宏觀現象幫助學生從微觀層面感悟、辨析氫氧化鈉與澄清石灰水吸收二氧化碳的能力強弱。

2.1二氧化碳的制備

2.1.1實驗用品

60mL醫用注射器、醫用二通閥、鑷子；大理石、稀鹽酸（1：1）。

2.1.2實驗方案

改進后的實驗方案如圖2所示：

2.1.3實驗步驟與現象

（1）拉動注射器的活塞抽取部分空氣后連接醫用二通閥，旋緊二通閥旋鈕，向下推動注射器活塞，活塞可以被推動一部分（分子間存在空隙），松手后活塞回落到原位，說明氣密性良好。

（2）在注射器中放置2小塊大理石，吸取適量的稀鹽酸（約15mL），觀察到大理石遇到稀鹽酸表面產生大量的氣泡；

（3）打開二通閥的旋鈕，等待反應一段時間（意圖：把裝置內空氣排空，也可以直接用活塞推出空氣），利用二通閥連接另一支注射器，用手固定制取裝置的活塞，靜置等待產生的CO₂氣體將另一支注射器活塞推動；

（4）收集所需要的體積CO₂氣體后，拔掉收集裝置，用另一個二通閥密閉注射器。

2.1.4改進實驗的優點

（1）實驗操作簡單，實驗儀器來自于生活，富有趣味性，也可改為家庭實驗，把大理石和稀鹽酸更換為雞蛋殼和白醋（本裝置可小型化至10mL注射器用于學生實驗）。

（2）實驗綠色環保，所用試劑較少。

（3）無需對二氧化碳進行傳統的驗滿操作，且保證了收集氣體的純度。

2.2二氧化碳的溶解性實驗

2.2.1實驗用品

60mL醫用注射器、醫用二通閥、蒸餾水。

2.2.2實驗方案

改進后的實驗方案如圖3所示（水溫20℃）：

2.2.3實驗步驟與現象

（1）準備收集了20mL二氧化碳氣體的注射器1和吸取了20mL蒸餾水的注射器2；

（2）連接兩注射器，打開二通閥的旋鈕，將20mL蒸餾水注射入另一支盛有20mL二氧化碳氣體的注射器1中，觀察活塞所處刻度線位置，活塞一開始處于刻度線40mL處（20mL蒸餾水+20mL二氧化碳）；

（3）旋緊二通閥旋鈕，密封后震蕩注射器1；

（4）再次讀取注射器1的活塞位置刻度，觀察到震蕩后注射器活塞向上移動，最后處于30mL處，說明二氧化碳能溶于水。（多次實驗發現，震蕩后刻度均停留在30mL左右，溶解體積比始終都不接近教材中描述的約為1：1，可能的原因在教學反思中進行詳述。）

2.2.4改進實驗的優點

（1）操作簡便，相較于收集一整瓶塑料瓶氣體（約350—500mL），本實驗只收集了20mL氣體，大大節省了收集二氧化碳氣體的時間。

（2）有定量的數據支撐學生認知，現象明顯，幫助學在宏觀現象與微觀世界之間搭建橋梁。

（3）可在家進行家庭實驗，也可在學校進行學生分組實驗。

（4）可以進一步設計學生探究實驗：探究二氧化碳的實際溶解能力并進行誤差分析，培養學生的創新思維與批判精神。

2.3二氧化碳與水的反應

2.3.1實驗用品

白紙、60mL注射器、醫用二通閥、紫色石蕊試紙、表面皿、吹風機、醋酸、蒸餾水、二氧化碳

2.3.2實驗方案

改進后的實驗方案如圖4所示：

2.3.3實驗步驟與現象

（1）向干燥的紫色石蕊試紙滴加酸，蓋上表面皿，紫色石蕊試紙變紅；

（2）向干燥的紫色石蕊試紙滴加水，蓋上表面皿，紫色石蕊試紙不變色；

（3）將盛有二氧化碳的注射器貼近干燥的紫色石蕊試紙，緩慢地注射20mLCO₂氣體，蓋上表面皿，紫色石蕊試紙變紅；

（4）將盛有二氧化碳的注射器緩慢地向濕潤的紫色石蕊試紙注射20mL?CO₂氣體，蓋上表面皿，紫色石蕊試紙變紅；

（5）用吹風機的熱風吹步驟（4）的試紙，發現試紙從紅色變回紫色，說明碳酸分解。

2.3.4改進實驗的優點

（1）綠色環保，明顯節省了所需實驗試劑與收集二氧化碳的時間。

（2）實驗操作簡便，現象對比十分明顯。

（3）可以讓學生利用衛生紙與富含天然指示劑的食品自制酸堿試紙，代替紫色石蕊試紙，在家進行家庭實驗，自主探究二氧化碳與水反應。

2.4二氧化碳的檢驗與吸收

2.4.1實驗用品

60mL注射器、醫用二通閥、小燒杯、澄清石灰石、氫氧化鈉溶液

2.4.2實驗裝置

改進后的實驗方案如圖5所示（室溫25℃）：

2.4.3實驗步驟與現象

（1）準備好兩支盛有40mLCO₂的注射器，另取兩支注射器分別吸取等體積（本實驗吸取20mL）氫氧化鈉溶液和澄清石灰水；

（2）利用二通閥將氫氧化鈉溶液和澄清石灰水分別注入兩支盛有40mLCO₂的注射器，密封兩支注射器后震蕩。

（3）觀察兩支針筒上的刻度，發現吸取氫氧化鈉溶液的注射器活塞下降更多，可以定量感受到氫氧化鈉吸收CO₂能力更強，引導學生得出結論：實驗室檢驗CO₂用澄清石灰水，因為有渾濁現象；除去CO₂用氫氧化鈉，因為吸收能力更強。

2.4.4改進實驗的優點

（1）利用針筒上的刻度，可以定量的感受到氫氧化鈉吸收CO₂的能力更強；

（2）培養學生控制變量的思想。

3反思

在二氧化碳的溶解性實驗中，多次實驗發現二氧化碳與水的體積比并不接近1：1，在查閱資料進行綜合分析后，認為造成這一現象的原因如下：一是二氧化碳的實際溶解度就是在20℃，一個標準大氣壓下，1 體積水中能溶解 0.88 體積的二氧化碳。二是二氧化碳溶于水的速度比較慢，根據相平衡計算和電離平衡計算，CO₂在水里的擴散系數很小，其數量級為10^-5cm²·s^-1，擴散阻力很大^［2］，所以本實驗即使充分震蕩，但時間有限（僅進行了1分鐘左右），也無法保證獲得了飽和溶液；有利用傳感技術的研究發現在通常情況下，二氧化碳氣體在水中的溶解速率遠遠小于二氧化碳的制取速率^[3]。氣體的溶解度隨溫度的增大而減小，因此排熱水法也不失為收集二氧化碳氣體的一種方式，在保證了純度的同時，可以觀察到氣體流速和收集情況。

參考文獻：

[1] 郁學梅.實驗室二氧化碳氣體的收集及檢測方法再研究［J］.化學教學，2014（7）：65-66.

[2] 陳明元.中學化學中二氧化碳溶于水的問題［J］.化學教學，2014（9）：93-94.

[3] 王欣磊，沈甸.氣體壓強傳感技術在中學化學實驗教學中的應用［J］.化學教學，2015（9）：58-61.