利用手持技術(shù)實驗探究二氧化碳的性質(zhì)

侯秀珠 曾新庭 張賢金

摘要：對人教版九年級《化學(xué)》上冊“二氧化碳的溶解性實驗”進行調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)已有的教材演示實驗和文獻中某些改進實驗還存在不足，使學(xué)生難以充分認識二氧化碳的性質(zhì)。利用手持技術(shù)對二氧化碳的性質(zhì)以及實驗問題進行實證探究，先處理并分析實驗數(shù)據(jù)，再從定性和定量兩個維度分析實驗結(jié)果，得出相應(yīng)的實驗結(jié)論，并提出若干實驗注意事項。

關(guān)鍵詞： 手持技術(shù)實驗; 二氧化碳性質(zhì); 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2022）03-0070-06

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

1 問題提出

“二氧化碳的溶解性實驗”是人教版九年級《化學(xué)》上冊第六單元課題3中的一個演示實驗，教師一般采用教材實驗6-4[1]進行教學(xué)，即向一個集滿CO2的軟塑料瓶中加入約1/3體積的水，立即旋緊瓶蓋，振蕩后軟塑料瓶變癟來驗證;李德前等[2]用一個盛滿CO2的集氣瓶加水蓋上玻璃片振蕩后倒立，玻璃片懸而不落來證明;張曉燕[3]用一支裝滿CO2的試管倒扣在水中，輕搖試管，發(fā)現(xiàn)試管內(nèi)液面上升來印證。上述這三種方法各有所長，但都是定性的驗證性實驗，學(xué)生缺乏定量化感知。王榮橋[4]在常溫常壓下用一支100mL注射器，通過抽取50mL干燥的CO2，再迅速抽取40mL水后密封注射器口，反復(fù)振蕩，發(fā)現(xiàn)剩余氣體體積約為10mL，不但驗證CO2能溶于水，還得出該狀態(tài)下，1體積水約能溶解1體積的CO2，實現(xiàn)了CO2的溶解性驗證實驗由定性向定量的轉(zhuǎn)變。可是，以上這些實驗教學(xué)均存在不足： 都只注重實驗結(jié)果，忽視過程的探索?！败浰芰掀孔儼T”“玻璃片懸而不落”和“管內(nèi)液面上升”，都只是間接反映CO2氣體減少致壓強變小的結(jié)果，這讓學(xué)生無法直觀感知該過程中壓強量的變化。這些粗略的直接呈現(xiàn)結(jié)果的實驗方法，讓學(xué)生可能產(chǎn)生諸多疑問或認知障礙： CO2氣體減少是否只與溶解性有關(guān)，是否還受溫度變化的影響？實驗操作為何需要振蕩，振蕩前后壓強有何變化？另外，有教師用注射器向集滿CO2的密閉軟塑料瓶中注入約1/3體積的水（裝置氣密性良好），振蕩后發(fā)現(xiàn)軟塑料瓶不變癟，卻又無法準(zhǔn)確解釋此現(xiàn)象。這些都可能造成學(xué)生對CO2性質(zhì)的錯誤認知。為此，筆者認為有必要讓學(xué)生參與實驗的探究過程，具體感知壓強量的變化，了解CO2氣體減少與自身性質(zhì)有關(guān)，從而增進對CO2性質(zhì)的理解。

2 手持技術(shù)實驗案例研究

2.1 探究思路分析

手持技術(shù)實驗案例研究包括實驗主題、設(shè)計和價值三個維度。本研究主題——以手持技術(shù)實驗探究CO2性質(zhì)，從對照實驗、自變量、傳感器三個角度進行設(shè)計，建構(gòu)實驗探究模型;運用手持技術(shù)實驗軟件定量描繪出兩組曲線，并實時采集實驗數(shù)據(jù)以及篩選數(shù)據(jù)制作圖表，通過分析得出實驗結(jié)論，促進學(xué)生對CO2性質(zhì)的認識。本案例試圖探究以下內(nèi)容（見表1），手持技術(shù)實驗探究的基本模型見圖1[5]。

2.2 實驗儀器、試劑及裝置

（1） 主要儀器： 電腦、數(shù)據(jù)采集器、壓強傳感器、溫度傳感器、pH傳感器、100mL三頸燒瓶、100mL注射器、100mL量筒等;

（2） 試劑： 飽和碳酸鈉溶液、1∶4稀硫酸、蒸餾水;

（3） 裝置如圖2、圖3所示。

2.3 實驗方案及參數(shù)設(shè)置

利用Lab Studio軟件，將數(shù)據(jù)采集器的采樣頻率設(shè)置為1.1s，采樣時間為3～5min。本實驗需測定：

（1） 室溫下，注入不同體積蒸餾水后，集滿CO2的密閉三頸燒瓶內(nèi)振蕩前后壓強和溫度的變化。

（2） 室溫下，通入不同體積CO2后，裝有100mL體積蒸餾水的敞口三頸燒瓶內(nèi)振蕩前后pH和溫度的變化。

2.4 實驗原理

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT（R為常數(shù)）、H2O+CO2H2CO3（碳酸溶液pH小于7）以及常溫常壓下蒸餾水pH=7.0，結(jié)合傳感器測量的實驗數(shù)據(jù)進行分析。

2.5 實驗步驟

實驗1 （1）檢查裝置氣密性后，用100mL規(guī)格的三頸燒瓶，利用排水法集滿CO2（CO2在水中有少量溶解，但溶解很慢，且氣體損失量不大，可用排水法收集），用注射器抽取一定體積的蒸餾水，按照圖2連接好裝置;（2）打開電腦數(shù)字化探究系統(tǒng)Lab Studio軟件，儀器校準(zhǔn)后設(shè)置實驗參數(shù)，點擊插入繪圖按鈕，再點擊開始采集按鈕;（3）打開止水夾，迅速把注射器中的蒸餾水全部注入三頸燒瓶后關(guān)閉止水夾;（4）待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后（1min），緩慢振蕩反應(yīng)容器（30s），待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后（1min），再次緩慢振蕩反應(yīng)容器（30s），直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定后停止采集。

實驗2 （1）向100mL規(guī)格的三頸燒瓶（經(jīng)測量，該三頸燒瓶容量約為188mL）注入100mL蒸餾水（

不超過三頸燒瓶容積的2/3，符合實驗要求，

水面線見圖3），用注射器收集一定體積的CO2氣體，按照圖3連接好裝置;（2）見實驗1步驟（2）;（3）打開止水夾，把注射器中的CO2全部緩緩地擠入蒸餾水中;（4）待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后（30s），緩慢振蕩反應(yīng)容器（30s），待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后停止采集。

3 實驗數(shù)據(jù)的處理與分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)

按圖2所示，實驗1中三組學(xué)生所繪制的分別注入20mL、 40mL、 60mL蒸餾水前后氣壓和溫度隨時間變化的曲線圖（見圖4～圖6）。

按圖3所示，實驗2中三組學(xué)生所繪制的分別通入20mL、 60mL、 100mL CO2后溶液pH和溫度隨時間變化的曲線圖（見圖7～圖9）。

3.2 實驗數(shù)據(jù)的處理

在Lab Studio軟件中把形成圖4、圖5、圖6的實驗數(shù)據(jù)存儲為Excel格式，并用Excel軟件進行數(shù)學(xué)建模，繪制出壓強隨時間變化統(tǒng)計圖（見圖10）。同理，收集形成圖7、圖8、圖9的實驗數(shù)據(jù)，繪制出pH隨時間變化統(tǒng)計圖（見圖11）。

從圖4～圖9看，在整個變化過程中，溫度隨時間變化不明顯，故不作匯總整合處理。

從形成圖10的數(shù)據(jù)中各篩選出特殊點（起點、拐點、終點），形成實驗1中某個時刻氣壓變化實驗數(shù)據(jù)表（見表2），去除起始壓強，形成氣壓隨時間變化曲線圖（見圖12），并把三條壓強變化曲線擬合成三個線性方程分別為y=-7.8x+154.4（對應(yīng)60mL水）、y=-4.76x+134.92（對應(yīng)40mL水）、y=-2.47x+117.45（對應(yīng)20mL水），其中x表示時間（單位： s），y表示壓強（單位： kPa）。

3.3 實驗結(jié)果與分析

3.3.1 定性分析

（1） 分析圖4～圖9溫度變化曲線，可知整個過程中無明顯的熱效應(yīng)變化。

（2） 分析圖10，當(dāng)快速注入一定量水時，體系壓強迅速上升，且依水體積的遞增，壓強明顯遞增，此時CO2體積不斷減小，而n（CO2）不變（與初始n相等）。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT（R為常數(shù)）和實際測得體系溫度T不變可得： n、 T不變時，V減小，則P變大，且V越小，則P越大，這與實際測量結(jié)果相符。注水完成后，氣壓出現(xiàn)拐點并開始緩慢變小（注： CO2是非極性分子，溶于水速率很慢，故氣壓減小非常緩慢），說明CO2氣體開始在減少（忽略水蒸氣的影響，此時CO2體積不變），從而推知有少量CO2開始溶解于水中。一段時間后，振蕩，氣壓迅速變小，說明CO2的量也在迅速減少。可見，振蕩操作可大幅度增加CO2與水的接觸頻率，從而增大CO2在水中的溶解速率。150～200s之間壓強無明顯變化，說明CO2溶解達到平衡。再次振蕩，壓強略減小，說明少量CO2又溶解了。250～300s之間壓強保持不變，說明CO2溶解又達到了平衡。分析剛注完水與兩次振蕩時氣壓變小情況，根據(jù)公式PV=nRT（R為常數(shù)），V（CO2）與T不變時，P減小，則n（CO2）一定變小，從而推知CO2溶于水。同時，比較三條曲線的起點氣壓與相應(yīng)的終點氣壓，發(fā)現(xiàn)終點氣壓始終大于初始氣壓（見圖10或表2），說明注水造成CO2體積被擠壓引起氣壓增大的程度大于CO2溶于水致壓強減小的程度。有數(shù)據(jù)表明，25℃常壓下100mL水可溶解75.9mL CO2，故注入20mL、 40mL、 60mL蒸餾水時，都無法完全吸除超過100mL CO2，故終點總壓會大于初壓。也正因如此，才出現(xiàn)“用注射器向集滿CO2的密閉軟塑料瓶中注入1/3體積的水，振蕩后軟塑料瓶不會癟”的情況。

（3） 分析圖11，起始pH接近或等于7（容器內(nèi)裝蒸餾水），當(dāng)緩慢通入純凈的CO2時，pH立即明顯減小（<7），說明有酸性物質(zhì)生成，發(fā)生的反應(yīng)是： H2O+CO2H2CO3。一段時間后，pH變化不大，說明CO2與水反應(yīng)逐漸達到了平衡，同時發(fā)現(xiàn)，隨著通入CO2量的遞增，三條曲線中pH依次明顯呈遞減趨勢，說明在一定量的水中，通入CO2量越多，反應(yīng)越充分。接著振蕩，pH減小，再次表明振蕩增加了兩者的接觸頻率，促進部分溶解在水中的CO2與水發(fā)生反應(yīng)。緊接著，pH急回升，推知碳酸不穩(wěn)定分解了，發(fā)生的反應(yīng)是： H2CO3H2O+CO2↑。隨后pH又不變，說明CO2與水反應(yīng)生成碳酸和碳酸的分解又建立了新的平衡。

（4） 從圖12中擬合的三個壓強與時間的線性方程y=-7.8x+154.4（對應(yīng)60mL水）、y=-4.76x+134.92（對應(yīng)40mL水）、y=-2.47x+117.45（對應(yīng)20mL水）分析，斜率的絕對值越大，CO2減少量也就越大，說明一定溫度下，CO2氣體溶解量的大小與壓強大小有關(guān)。

3.3.2 定量分析

為驗證本實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以便能更合理、更科學(xué)地得出實驗結(jié)論，下面從理論上作進一步定量分析印證。

（1） 根據(jù)公式PV=nRT，結(jié)合注水時體系內(nèi)n（CO2）和T不變，可得：

P1（max）=P（初）V（初）V（初）-V（水）（1）

結(jié)合公式： 實驗誤差=實驗值-理論值理論值×100%=P（max）-P1（max）P1（max）×100%（2）

其中V（水）和P1（max）分別表示注水體積與注水后最高點壓強的理論計算值，V（初）=188mL（等于三頸燒瓶容量），把表2中三組初始氣壓數(shù)據(jù)分別代入（1）式求出P1（max），通過（2）式求得實驗誤差，并進行誤差分析。現(xiàn)把計算與分析結(jié)果匯總于表3。

（2） 根據(jù)PV=nRT推出：

n（初）=P（初）V（初）RT（3）

由于CO2溶于水速率很慢，故可忽略注水瞬間CO2可能溶于水而引起其物質(zhì)的量減少情況，故P（max）所對應(yīng)的n（CO2）與n（初）是相等的。根據(jù)PV=nRT，結(jié)合注水后V（CO2）、T不變，可推出：

n（終）=P（終）n（初）P（max）

（4）

n（溶）=n（初）-n（終）（5）

其中n（溶）表示整個過程中溶解的CO2物質(zhì)的量。

已知初始溫度約為25℃（即T=298K），V（初）=188mL，R=8.314Pa·m3/（mol·K）。把表2中相關(guān)數(shù)據(jù)代入（3）和（4）式進行計算，再把計算結(jié)果代入（5）式，求出n1（溶）=6.30×10-4mol，n2（溶）=1.02×10-3mol，n3（溶）=1.51×10-3mol，可見n（溶）>0，說明CO2能溶于水。統(tǒng)一換算成100mL水，得出25℃時106.4kPa、 113.3kPa和117.8kPa三種狀態(tài)下CO2的溶解度分別是0.1386g、 0.1122g和0.1107g。從表3實驗誤差結(jié)果分析可知，第（1）組偏大、第（3）組偏小，以第（2）組最佳。故推測，在25℃時106.4kPa狀態(tài)下CO2的溶解度應(yīng)比113.3kPa狀態(tài)下溶解度0.1122g要小，而117.8kPa狀態(tài)下其溶解度應(yīng)比113.3kPa狀態(tài)下溶解度0.1122g要大。這說明了壓強越大，CO2氣體的溶解度也就越大。再統(tǒng)一換算成101.3kPa（常壓），可得出三組實驗中CO2的溶解度計算值分別是0.1320g、 0.1003g和0.0952g，則三組溶解度計算平均值為0.1092g。通過查表，25℃常壓下CO2的溶解度為0.1449g（理論值），可求出本實驗誤差為24.63%，則準(zhǔn)確率為75.37%。分析原因，主要可能是由于實驗時間太短了（只有5min），CO2沒有最大限度地溶解在水中（CO2溶解很慢）。若延長實驗時間，可能CO2的溶解度實驗計算值會更接近于理論值的（有待進一步研究）。

3.4 實驗結(jié)論

綜合以上分析得出以下結(jié)論：

（1） 用注射器向集滿CO2的密閉容器中注水，容器內(nèi)的壓強先變大后變小，且振蕩會加速壓強變小;此過程CO2不但會溶于水，而且還會與水發(fā)生反應(yīng)，二者共同作用致體系壓強減小，但壓強減小的程度始終都小于注水引起氣壓增大的程度。該變化過程中，熱量變化不明顯。

（2） 本實驗環(huán)境條件下測出25℃、 101.3kPa時100mL水中約能溶解0.1092g CO2，且隨著壓強的增大，CO2的溶解度也會增大。

（3） 振蕩不但促進CO2的溶解，還促進部分溶解的CO2與水充分反應(yīng)。同時，CO2與水反應(yīng)生成碳酸和碳酸分解建立了平衡關(guān)系。

（4） 實驗結(jié)果以數(shù)據(jù)、圖表形式呈現(xiàn)，各組數(shù)據(jù)相互匹配，相互印證，經(jīng)過定性與定量分析，說明實驗結(jié)果具有一定的說服力[6]。

3.5 實驗注意事項及說明

（1） 由于CO2在水中雖有少量溶解，但溶解很慢，且氣體損失不大，故實驗1中可用排水法收集CO2，既能得到較純凈的CO2，又能使氣體溫度與注水時水溫接近，減小實驗誤差。

（2） 實驗中用飽和碳酸鈉溶液和稀硫酸反應(yīng)制取CO2，方便注射器收集到較純凈的CO2（除H2O外），避免因用鹽酸造成CO2中含有HCl而影響實驗2中pH的測定。

（3） 實驗中用蒸餾水不用自來水，減少自來水中含有的雜質(zhì)對實驗造成干擾。

（4） 實驗中振蕩時注意手不要碰到容器壁，以免手的溫度造成實驗誤差。

（5） 通過多次實驗得出多組數(shù)據(jù)，便于進行多組數(shù)據(jù)對比，讓實驗結(jié)果更準(zhǔn)確、更嚴(yán)謹、更科學(xué)。

4 實踐價值

4.1 有效促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)

參與實驗的學(xué)生反饋，他們“看到”了CO2溶于水以及與水反應(yīng)的細微變化本質(zhì)，通過變化過程“可視化”加深了對該性質(zhì)的理解。筆者順勢引導(dǎo)學(xué)生利用手持技術(shù)來探究CO2的其他性質(zhì)： 按圖2所示，向集滿CO2的密閉的三頸燒瓶中分別注入50mL水、50mL飽和氫氧化鈣溶液和50mL質(zhì)量分數(shù)為40%的氫氧化鈉溶液，所得實驗數(shù)據(jù)匯總整合，繪制出壓強隨時間變化的統(tǒng)計圖（見圖13）。

根據(jù)上述實驗結(jié)論，結(jié)合圖13識別與推理發(fā)現(xiàn)： CO2既能與水、氫氧化鈣溶液反應(yīng)（有白色渾濁），還能與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，且較濃的氫氧化鈉溶液對CO2的吸收效果優(yōu)于水和氫氧化鈣溶液，這就不難理解在實驗室中，要成功“捕捉CO2”選擇氫氧化鈉濃溶液和“鑒定CO2”選用氫氧化鈣溶液的道理。手持技術(shù)實驗得到的曲線和數(shù)據(jù)，掃除了學(xué)生的理解障礙，加深了對物質(zhì)微觀變化的認識，從而促進了深度學(xué)習(xí)。

4.2 有效增進教師對學(xué)科知識的理解

本案例實踐不僅為教師備課、教學(xué)提供了參考，還讓化學(xué)實驗教學(xué)更加多樣化。通過本實驗得到的結(jié)論： 用注射器向集滿CO2的密閉容器中注水引起氣壓增大的程度大于CO2溶于水、與水反應(yīng)致壓強減小的程度，解除了多年來教師無法準(zhǔn)確解釋“用注射器向集滿CO2的密閉軟塑料瓶中注水振蕩后出現(xiàn)軟塑料瓶不變癟”的困惑，加深了對化學(xué)學(xué)科知識的理解。

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