“二氧化碳的實驗室制取與性質”實驗的運用及改進案例分析

文| 項 鑫

在初中化學教學實踐中，實驗教學是備受關注的內容，一方面是因為實驗可以將抽象的理論內容具象化，從而讓學生對所學內容有更深刻的理解，另一方面是通過實驗可以讓學生對化學學習需要具備的思維有所了解。二氧化碳的實驗制取是初中化學實驗教學中的基礎實驗之一，明確此實驗的具體過程并對實驗的運用進行研究，同時思考實驗開展的具體改進措施，對于進一步提升教學實效性有顯著價值。

一、“二氧化碳的實驗室制取與性質”實驗

（一）實驗原理與目的

本實驗旨在讓學生掌握二氧化碳的實驗室制取與性質的實驗方法，了解二氧化碳的化學性質和物理性質；親自動手操作實驗過程，觀察實驗現象，理解實驗原理，培養(yǎng)他們的實驗技能和科學探究精神。

（二）實驗材料與設備

試管、燒杯、塑料膜、橡皮筋、溫度計、蠟燭、二氧化碳發(fā)生裝置、pH 試紙等。

（三）實驗步驟與操作

1.準備實驗材料與設備：（1）將石灰石放入試管中，加入稀鹽酸，觀察反應過程。（2）用塑料膜包裹試管口，用橡皮筋固定，將溫度計插入試管口附近。（3）將試管放入裝有水的燒杯中，用蠟燭燃燒產生的熱量加熱試管，記錄溫度變化。（4）將二氧化碳通入燒杯的水中，觀察pH 試紙的變化。（5）整理實驗器材，清理實驗現場。

2.實驗操作：（1）將石灰石放入試管中，加入稀鹽酸，觀察反應過程。石灰石與稀鹽酸反應產生二氧化碳氣體，此時會看到石灰石表面產生大量氣泡并產生劇烈反應。反應結束后，用排水法收集產生的氣體。（2）用塑料膜包裹試管口，用橡皮筋固定，將溫度計插入試管口附近。這樣做是為了防止氣體泄漏，同時監(jiān)測反應過程中的溫度變化。（3）將試管放入裝有水的燒杯中，用蠟燭燃燒產生的熱量加熱試管，記錄溫度變化。加熱過程中，注意調整蠟燭的位置和火焰大小，保持試管內的液體均勻受熱。同時注意觀察溫度計的變化，記錄下反應過程中的溫度數據。（4）將二氧化碳通入燒杯的水中，觀察pH 試紙的變化，并記錄下pH。（5）整理實驗器材，清理實驗現場。在完成實驗后，需要將使用過的器材和設備進行整理和清潔，以便下次使用。同時要清理實驗現場，確保實驗室的整潔和衛(wèi)生。

（四）實驗結果與討論

通過實驗操作，我們可以觀察到以下實驗結果：（1）石灰石與稀鹽酸反應產生大量氣泡并產生劇烈反應，說明該反應能產生大量二氧化碳氣體。（2）用塑料膜包裹試管口并固定后，能有效防止氣體泄漏。在加熱過程中監(jiān)測到溫度變化范圍較小，說明反應過程中產生的氣體種類較為單一。（3）將試管放入裝有水的燒杯中并用蠟燭加熱后，記錄到的溫度數據表明該反應為放熱反應。（4）將二氧化碳通入燒杯的水中后，觀察到pH 試紙的顏色發(fā)生變化，說明二氧化碳溶于水后會使溶液呈酸性。

根據以上實驗結果，我們可以進行如下討論：在制取二氧化碳的過程中，稀鹽酸與石灰石反應產生的氣體為二氧化碳。由于稀鹽酸具有較強的揮發(fā)性，因此在收集氣體時需要注意防止氣體泄漏。此外，由于該反應為放熱反應，因此在加熱過程中需要注意控制溫度變化范圍，避免因溫度過高導致試管破裂或氣體爆炸等問題的發(fā)生。

二、“二氧化碳的實驗室制取與性質”實驗的運用

“二氧化碳的實驗室制取與性質”實驗的運用需要強調兩點：

1.需要關注實驗室制備。實驗室制備二氧化碳通常采用鹽酸鹽和石灰石反應，反應方程式為：CaCO3+2HCl==CaCl2+H2O+CO2↑

就具體的實驗操作來看，步驟為：（1）將石灰石粉碎成粉末狀，放入試管中。（2）向試管中加入適量的稀鹽酸，將試管固定在鐵架臺上。（3）用排水法收集產生的氣體，將收集的氣體通過導管排出。（4）將收集到的氣體通入澄清的石灰水中，觀察石灰水的變化。如果石灰水變渾濁，說明產生了二氧化碳氣體。

2.對實驗運用進行分析。為了保證實驗的效果，需要明確注意事項，具體為：（1）在實驗過程中穿戴實驗服和護目鏡等防護用品。（2）在加入試劑時，要按照試劑的用量和順序進行添加，以免影響實驗結果。（3）在收集氣體時，要注意氣體的排出方向，避免發(fā)生氣體排出過快或產生爆炸等危險情況。（4）在將氣體通入澄清石灰水時，要保證氣體的流量和時間足夠，以便觀察到明顯的實驗現象。（5）在實驗結束后，要將試管和實驗器材清洗干凈，以便下次使用。同時要清理實驗現場，保持實驗室的整潔和衛(wèi)生。

三、“二氧化碳的實驗室制取與性質”實驗的改進案例

（一）改進實驗原理

第一是反應原理改進。傳統(tǒng)的二氧化碳實驗室制取方法主要基于鹽酸的反應原理。然而，這種方法存在一些問題，如反應速度較慢、收集難度較大等。為了解決這些問題，我們可以采用以下方法改進：（1）使用碳酸鈣和稀鹽酸作為反應物：將碳酸鈣和稀鹽酸加入同一反應容器中，攪拌均勻后加熱，這樣可以加快反應速度并提高產氣效率。同時，由于產生的二氧化碳氣體壓力較大，可以更容易將其收集到集氣瓶中。（2）使用石灰石和稀鹽酸作為反應物：將石灰石粉碎成粉末狀，與稀鹽酸混合攪拌均勻后加熱。這種方法可以產生大量的二氧化碳氣體，并且由于反應溫度較高，可以縮短反應時間。

第二是氣體收集改進。在收集二氧化碳氣體時，傳統(tǒng)的方法是使用向上排空氣法。但是這種方法比較麻煩，并且容易混入空氣中的雜質。為了解決這個問題，我們可以使用雙導管集氣瓶：將導氣管插入雙導管集氣瓶的左側，讓產生的二氧化碳氣體通過左側導管進入集氣瓶中。同時，將右側導管連接到水槽中，讓水通過右側導管進入集氣瓶中，以保持集氣瓶內外壓力的平衡。這樣就可以收集到純凈的二氧化碳氣體。

第三是性質實驗改進。二氧化碳的性質實驗中主要包括二氧化碳不支持燃燒、能使澄清石灰水變渾濁、與水反應生成碳酸等。為了更好地展示這些性質，我們可以采用以下改進方法：（1）采用數字化傳感器，以更準確地測量二氧化碳的濃度、溫度等參數。例如，在驗證二氧化碳不支持燃燒的性質時，可以通過數字化傳感器測量燃燒物周圍的二氧化碳濃度，以更準確地判斷其是否能夠支持燃燒。（2）增加對比實驗。例如，在驗證二氧化碳能使澄清石灰水變渾濁的性質時，可以同時進行空白實驗和對比實驗，以更直觀地觀察變化情況。

（二）實驗裝置改進

為了提高“二氧化碳實驗室制取與性質”實驗的效率和安全性，我們需要對實驗裝置進行改進。（1）裝置封閉性改進。傳統(tǒng)的實驗裝置往往存在封閉性不好的問題，容易導致氣體泄漏。為了解決這個問題，我們可以采用以下措施：首先，使用密封性能更好的橡膠塞或硅膠塞來封閉反應容器。其次，在連接管道處使用密封圈和緊固件，確保管道連接處不漏氣。最后，在氣體收集過程中，使用水封法或排空氣法等方法避免氣體泄漏。（2）安全性提升改進。首先，在實驗過程中使用通風設施來避免室內二氧化碳濃度過高導致空氣污染。其次，在進行危險性較高的實驗操作時，如加熱反應物等，應在專業(yè)人員的指導下進行或者運用自動化設備進行操作。最后，在使用酸堿等危險品時，應佩戴防護眼鏡、手套等防護用品，并按照安全規(guī)范進行操作。（3）操作簡便性改進。為了提高實驗操作的簡便性，我們可以在裝置利用方面采取如下工作：①使用數字化傳感器來測量反應過程中的溫度、壓力等參數，減少手動測量的操作煩瑣性。②采用自動控制系統(tǒng)來控制反應過程中的溫度、壓力等參數，提高實驗的自動化程度。③采用試劑盒、試紙等簡便的檢測方法來檢驗氣體的性質，減少手動操作的步驟。

（三）實驗步驟改進

為了提高實驗效率、減少誤差，我們對實驗步驟進行了改進：

1.實驗準備：選擇合適的反應物，如石灰石與稀鹽酸，并準備相應的實驗裝置。

2.裝置搭建：按照改進后的實驗裝置圖搭建實驗設備，確保裝置的氣密性良好。

3.反應條件優(yōu)化：將反應物的溫度、壓力等參數控制在最佳范圍內，以提高反應速度和產氣效率。（1）控制反應物的濃度和比例，如增加稀鹽酸的濃度可以提高反應速度。（2）控制反應溫度和壓力，如升高溫度可以加快反應速度，增加壓力可以增加產氣效率。（3）加入適當的催化劑，如金屬氧化物可以顯著提高反應速度。（4）控制反應時間，適當延長反應時間可以提高產氣效率。

4.產物收集與純度提升：采用排水法收集二氧化碳氣體，并通過化學反應將雜質氣體去除，以提高產物純度。具體的執(zhí)行方法：（1）采用排水法收集二氧化碳氣體，避免傳統(tǒng)向上排空氣法中混入空氣中的雜質。（2）在收集裝置中加入一個洗氣瓶，通過化學反應將雜質氣體去除，如用氫氧化鈉溶液吸收酸性氣體雜質。（3）在性質實驗中采用試劑盒、試紙等簡便的檢測方法來檢驗氣體的性質，減少手動操作的步驟和誤差。（4）對每個批次產物的純度進行嚴格檢測和把控，確保實驗結果的準確性。

5.環(huán)境保護措施：合理處理實驗廢棄物，減少對環(huán)境的污染。

6.實驗數據分析：采用數字化傳感器測量反應過程中的溫度、壓力等參數，并記錄實驗數據，進行數據分析。

（四）實驗產物性質研究改進

1.產物性質的理論研究：在實驗開始前，通過理論分析研究二氧化碳的性質，包括物理性質（如密度、溶解度等）和化學性質（如與水的反應、與堿的反應等），為實驗過程中的現象解釋和后續(xù)的實驗改進提供理論基礎。

2.產物收集和純度檢驗的改進：二氧化碳氣體收集和純度檢驗環(huán)節(jié)，可以嘗試采用不同的方法來提高產物純度和收集效率，如可以通過改變導管的結構、增加氣體干燥劑的使用、優(yōu)化收集容器等手段來實現。

3.反應條件控制的精細化：在反應條件控制方面，可以嘗試進一步精細化控制反應溫度、壓力、反應物濃度等參數，以探究不同反應條件對二氧化碳性質的影響。例如，通過對比不同濃度的酸與不同種類的鹽反應，觀察產物的差異，進而深入了解反應機理。

4.實驗數據分析的深入化：分析實驗數據時可以利用先進的儀器和軟件，如質譜儀、紅外光譜儀等，對二氧化碳的性質進行深入的研究。例如，可以通過測量二氧化碳的紅外光譜來研究其分子結構和化學鍵等信息。

5.環(huán)保和安全性的考慮：實驗過程中，應盡量避免對環(huán)境的污染和實驗安全事故的發(fā)生。例如，可以選擇使用環(huán)保型的實驗材料，如非揮發(fā)性的酸和鹽。同時，在實驗過程中要規(guī)范操作，避免因誤操作導致的安全事故。

6.實驗設備的升級換代：隨著科技的發(fā)展，一些新的實驗設備不斷涌現。例如，數字化實驗室、自動化實驗室等新型實驗室設施可以為實驗提供更好的環(huán)境和條件。升級換代實驗設備，可以提高實驗效率、精確度和安全性。

7.綜合多個學科知識：“二氧化碳的實驗室制取與性質”實驗涉及多個學科領域的知識，如化學、物理、生物學等。對這些學科知識的綜合運用，可以讓學生更全面地了解二氧化碳的性質及其變化過程，為實驗改進提供更多思路和方法。

綜上所述，在初中化學教學實踐中，針對“二氧化碳的實驗室制取與性質”實驗，學生需要認真操作實驗，觀察實驗現象并記錄且分析數據。同時，教師要引導學生思考以下問題：如何通過控制稀鹽酸的滴入速度來控制反應速率？為什么二氧化碳不能燃燒，也不支持燃燒？生活中有哪些實際應用場景與二氧化碳的性質有關？教師通過實驗和思考，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維。