二氧化碳性質實驗裝置改進及教學實踐

周密 張丹

摘要： 對原教材中二氧化碳與水反應實驗裝置及藥品進行簡化、整合、改進和創新，改進后的實驗裝置克服了傳統實驗裝置的不足，具有結構簡單、操作簡便、環保、實驗現象對比明顯、實驗可分步操作且可暫停等特點。實驗所用二氧化碳及紫色石蕊溶液可重復利用，實驗現象能反復呈現。有助于學生提高對教材常規傳統實驗的認知，激發學生的批判能力和創新意識。

關鍵詞： 二氧化碳； 演示實驗； 實驗裝置； 實驗探究

文章編號： 10056629（2023）05006003

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

《義務教育化學課程標準（2022年版）》明確指出：教師在教學中應積極創造條件，開足、開好必做實驗和跨學科實踐活動，倡導“做中學”“用中學”“創中學”，充分發揮必做實驗和跨學科實踐活動的教學功能及育人價值。在完成必做實驗的基礎上，努力創造條件，為學生提供更多的動手實驗機會［1］。因此，教師在教學過程中應善于整合和改進，使學生在原有認知的基礎上進行適當延伸，幫助學生理解知識，提升學習能力。“二氧化碳的化學性質實驗”是現行初中化學人教版教材中的一個重要的學生必做實驗，該實驗旨在證明二氧化碳能溶于水，且能與水反應生成碳酸，同時碳酸不穩定，易分解等。教師在教學過程中可在原有課本實驗的基礎上，對儀器裝置進行整合和改進，幫助學生打破固定思維模式與傳統認知，使學生在原有認知的基礎上能進行適當延伸，進一步增強對知識點的理解，提升學習能力。

對比不同版本教材中的該實驗，發現均有所長也有不足。為使實驗操作更簡單，實驗現象對比更明顯，實驗試劑耗材更節約，以及培養學生的綠色化學與創新意識，筆者設計了一套一體化實驗裝置，用于二氧化碳化學性質實驗教學。

2 實驗方案

2.1 主要實驗儀器和用品

實驗儀器：一體化二氧化碳化學性質實驗裝置、酒精燈

實驗用品：紫色石蕊溶液、二氧化碳氣體、植物油

2.2 實驗原理

（1） CO2密度比空氣大；

（2） CO2+H2OH2CO3；

（3） H2CO3H2O+CO2↑；

（4） 酸性溶液能使紫色石蕊溶液變紅。

2.3 實驗裝置

一體化二氧化碳化學性質實驗裝置結構從上到下分別為：1.螺紋瓶蓋（直徑2厘米）； 2.二氧化碳氣體收集腔體（直徑10厘米）； 3.油液儲存腔體； 4.氣球（接口處直徑1.5厘米）； 5.紫色石蕊溶液儲存腔體（直徑6厘米）； 6.三角架； 7.石棉網； 8.酒精燈。裝置示意圖如圖1所示。

2.4 實驗操作步驟

（1） 檢查裝置氣密性。打開螺紋瓶蓋，往裝置中小心地通入適量氣體，待氣球充盈后，擰緊螺紋瓶蓋，一段時間后，若氣球大小不變，則說明裝置不漏氣。

（2） 按圖連接好實驗裝置后，先將紫色石蕊溶液倒入演示裝置內直到填滿腔體5。加入數粒玻璃防沸珠，倒入適量植物油于腔體3中，再往腔體2中通入足量二氧化碳氣體（因二氧化碳密度大于空氣，所以會在進入腔體2時自動排出內部空氣）。

（3） 將點燃的木條放在瓶口處，觀察實驗現象。

（4） 蓋好瓶蓋，用手拿住容器本體側舉晃動數次，使二氧化碳氣體與紫色石蕊溶液充分混合反應后，靜置，觀察紫色石蕊溶液顏色變化情況和氣球充盈程度變化情況。

（5） 將點燃的酒精燈置于腔體5下方，隔石棉網對腔體5進行加熱，待紫色石蕊溶液微沸后，停止加熱，靜止一段時間后觀察實驗現象。

2.5 實驗現象和結論

在步驟（2）中可以觀察到，隨著二氧化碳的不斷加入，側下方的氣球逐漸充盈，說明CO2的密度比空氣密度大，加入的二氧化碳氣體下沉至腔體中。

在步驟（3）中可以觀察到，點燃的木條放在瓶口后，點燃的火苗熄滅，說明二氧化碳不可燃，且不支持燃燒，且瓶內已收集滿二氧化碳。

在步驟（4）中可以觀察到，氣球充盈程度發生變化，由充盈變為干癟，紫色石蕊溶液由紫色變為紅色，說明二氧化碳與水發生了反應，且生成的物質為酸性物質。

在步驟（5）中，觀察到氣球充盈程度發生變化，由干癟逐漸充盈，且溶液中顏色逐漸變化，由紅色變紫色，說明步驟（4）中生成的酸性物質不耐熱，遇熱消失了，且有氣體生成。

3 實驗教學片段摘錄

3.1 環節一：實驗導學，探索原理

［教師演示］往盛有二氧化碳的塑料瓶中加水，振蕩，塑料瓶變癟。

［師］通過前面的學習，我們知道二氧化碳能溶于水，二氧化碳在溶于水的過程中有沒有與水發生化學反應，生成新物質？如果有，新物質是什么？

［生］思考并回答。

［師］請同學們思考討論并回答，如何在此實驗的基礎上進行改進、使所用儀器更少、操作更簡便、現象對比更明顯？

［生］思考討論并回答。

3.2 環節二：改進實驗，激活熱情

［師］同學們，這是改進后的實驗裝置，大家看看這與課本上的有什么不同呢？

［生］課本中的分散部件比較多，改進后的裝置是一個整體，結構簡單。

［師］對的。現在如何檢查它的氣密性？

［生］可以在充氣后蓋緊瓶蓋，觀察氣球的充盈程度是否變化，若是氣球的充盈程度沒發生變化，則證明它的氣密性好（檢查氣密性操作略）。

［師］正確。現在將二氧化碳氣體通入腔體2中，待氣球充盈后，將點燃的木條放在瓶口，看到火苗熄滅后，取出木條，旋緊裝置的瓶蓋。同學們，為什么燃著的木條會熄滅？

［生］因為里面有CO2， CO2不能燃燒，且不支持燃燒，所以燃著的木條熄滅了。

［師］對的。那么為什么瓶中會充滿CO2？

［生］因為CO2密度比空氣密度大，當往瓶中通入CO2后，CO2會沉入瓶中，同時將空氣排出。

［師］是的，完全正確。現在我們將裝置側舉，晃動，使瓶中CO2和紫色石蕊溶液充分混勻后靜置，同學們觀察到有哪些變化？

［生］紫色石蕊溶液由紫變紅，氣球由充盈變為了干癟。

［師］說明什么？

［生］二氧化碳能溶于水，使得瓶中氣體變少，同時生成了一種物質，使紫色石蕊溶液變紅。

［師］正確。現在我們用酒精燈小心地加熱腔體5，同學們觀察有哪些變化呢？

［生］溶液中有氣泡冒出，且紅色褪去，由紅變紫。氣球又重新充盈了。

［師］說明什么呢？

［生］二氧化碳與水反應生成的物質消失了，同時有氣體生成。

3.3 環節三：分析現象，再探實驗

［師］往三份紫色石蕊溶液中，分別加入幾滴純水、稀鹽酸溶液和稀氫氧化鈉溶液，發現只有加入稀鹽酸溶液的紫色石蕊溶液變紅，其余未變色。這說明什么呢？

［生］酸性物質能使紫色石蕊溶液變紅。

［師］同學們回想一下，剛才看到改進的演示裝置振蕩后，紫色石蕊溶液也變紅，說明什么呢？

［生］二氧化碳與水反應生成的物質是一種酸性物質，它能使紫色石蕊溶液變紅。

［師］正確，該酸性物質就是碳酸。那么剛才用酒精燈加熱腔體5，發現溶液紅色褪去，由紅變紫，且溶液中有氣泡冒出，氣球也變充盈了，這又說明什么呢？

［生］二氧化碳與水反應生成的酸性物質遇熱不穩定，隨著加熱消失了，同時有氣體生成。

3.4 環節四：教師評價，得出結論

［師］通過我們以上實驗，同學可以得到哪些結論呢？

［生］二氧化碳密度比空氣大；不可燃且不支持燃燒；能溶于水，且與水和二氧化碳反應可以生成碳酸，碳酸能使紫色石蕊溶液變紅；碳酸很不穩定，易分解生成水和二氧化碳。

［師］正確，現在請寫出相應反應的化學方程式。

［生］略。

［師］很好，現在我們的演示裝置又恢復了，有沒有剛才沒看清楚的同學想自己動手嘗試一下呢？

［生］（踴躍嘗試）。

4 改進裝置的優點

（1） 簡單便捷易操作。傳統的二氧化碳性質教學實驗裝置前期準備工作量大，玻璃部件多，且玻璃部件間的連接、組裝過程耗時較長，消耗了有限的課堂時間。本改進的一體化裝置整體性強，不需要過多的時間進行連接，且操作簡單，反應均在一體化玻璃容器內，安全性能好。

（2） 綠色環保可循環。傳統的二氧化碳與水反應教學演示實驗所涉及的試劑耗材為一次性消耗品，難以重復利用，增加了實驗成本，且反應現象只能呈現一次，不便于加深學生對實驗現象的理解和記憶。本裝置在通入二氧化碳后的實驗步驟和現象可反復實現，可提供學生親自動手實驗操作的機會，有利于對實驗現象的深入理解。

（3） 價格便宜易制備。改進后的一體化實驗裝置為單獨的玻璃器皿，批量生產后價格便宜，運輸方便，性價比高。同時對于條件較為簡陋的部分農村地區，仍存在因鹽酸等危險化學實驗品的缺乏而導致實驗課程被取消的現象，本改進裝置在一次性充入二氧化碳后，僅需加熱、冷卻，即可對部分實驗內容重復展示，節約了鹽酸等危險化學品的使用，有利于貧困地區化學實驗課的展示，具有一定的推廣性。

（4） 分步教學強理解。二氧化碳密度較大、二氧化碳不支持燃燒、水能和二氧化碳反應、碳酸能使紫色石蕊溶液變紅、碳酸不穩定等性質，各個環節、每一步驟都以獨立形式存在，可由授課教師根據學生當前理解狀態自由把控，充分與學生互動，解決了傳統實驗中實驗進程太快、操作過于頻繁，導致學生難以兼顧，來不及思考等問題。教師可以根據實驗操作——發現現象——分析討論——總結評價等步驟由淺及深地擴展學生思維，培養他們勤于思考和科學推理的方法［2］。

總之，有關化學實驗的創新沒有止境，實驗裝置的改進，目的在于夯實化學基礎知識，提高學生的實驗能力。實驗裝置改進力求裝置簡單、節約藥品、實驗現象明顯、可操作性強、可視化和重復性強、安全性高，既能減少課前準備實驗的時間，又能激發學生的實驗興趣，在探尋最佳方案的基礎上培養學生的化學實驗素養［3］。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022.

［2］林曉霞. 乙醇與鈉反應的新裝置及教學實踐［J］. 化學教學， 2022，（9）： 72～74.

［3］閆相友. 優化實驗設計 培養學生化學實驗素養——以二氧化碳的性質探究為例［J］. 化學教學， 2022，（4）： 79～83.