二氧化碳溶解性实验的改进

庄育兰

摘要：依据简单、安全、可行的原则，设计了二氧化碳的溶解性实验，并经过十组对比实验，得出在中学现有的实验条件下，用石灰石和稀盐酸制取的二氧化碳，常温常压下也能溶解在自来水中。分析了目前人教版教材上二氧化碳溶解性实验存在的问题。

关键词：二氧化碳;溶解性;注射器

文章编号：1008-0546（2021）06-0096-02 中图分类号：0632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.06.026

人教版《化学》九年级上册第六单元课题3有一个“二氧化碳的溶解性实验”，实验步骤如下：向一个收集满二氧化碳气体的质地较软的塑料瓶中加入约1/3体积的水，立即旋紧瓶盖，振荡。观察现象并分析。本实验需要二氧化碳的量较多（矿泉水瓶体积都在400mL以上）、并且塑料瓶的质地需十分轻软才能看到明显现象，很多教师反映实验现象不太明显。因此笔者设计了如下实验改进二氧化碳的溶解性实验。

用图1的实验装置制取二氧化碳。因为笔者希望制取比较纯净的二氧化碳，所以使用的药品是碳酸钙粉末而不是石灰石。为了避免收集到的二氧化碳混有较多空气，增加一个不加胶头的玻璃滴管，用于验证二氧化碳基本充满锥形瓶。实验过程如下：关闭止水夹，打开分液漏斗活塞，使稀硫酸与碳酸钙粉末反应，在滴管上方验证二氧化碳已经充满后，用胶塞堵住滴管。打开止水夹，在注射器A中收集20mL二氧化碳。取一根约2cm长的乳胶管，套在注射器B上，然后吸取20mL水，使乳胶管内也充满水。用该乳胶管连接注射器A和B，放置在水平桌面上（如图2）。将二氧化碳缓缓推人水中。待二氧化碳全部推人后，将注射器B竖起，观察液面的变化。可观察到，注射器B内共有20mL液体和16mL气体，即从A进入B的二氧化碳溶解了约4mL。振荡该注射器30秒，可观察到二氧化碳又溶解了约6mL，继续振荡约30秒，可观察到二氧化碳又溶解了约2mL。放置五分钟，最终发现二氧化碳共溶解了约13mL。重复上述实验10次，得到平均值：常温常压下，20mL水中约能溶解12.5mL二氧化碳。即1体积的水中约能溶解0.63体积二氧化碳。本实验的操作要点是：注射器的气密性必须良好;向水中注射二氧化碳的时候必须缓慢，如果能将注射器连接针头后再注射，效果更好;注入后，一定要充分振荡。

当然，本实验的结论远没有达到教材写的“在通常状况下，1体积的水约能溶解1体积的二氧化碳”，主要有两个原因：原因之一是用排空气法收集的二氧化碳仍含有部分空气，实验证明只要空气中二氧化碳的体积含量达到30%及以上，就能使点燃的木条熄灭[1]，所以即使笔者用点燃的木条熄灭进行验满，仍无法保证收集到的是纯净的二氧化碳;原因之二是CO2溶于水时，CO2在滞流或静止的液（水）膜里的运动以分子扩散为主，而根据相平衡计算和电离平衡计算，CO2在水里的扩散系数很小，其数量级为10-5cm2·s-1，扩散阻力很大[2]，也就是说要让二氧化碳充分溶于水需要有足够大的接触面积和足够长的接触时间，在本实验进行的5分钟时间内，即使通过振荡，CO2也不可能完全溶于水中。所以如果本实验用于测定溶解度，还是不太精确的，但是本实验作为二氧化碳的溶解性实验，让学生领悟“二氧化碳能溶解在水中”，还是简便可行的。

初中阶段，很多学校实验用水都是自来水，因此笔者也用同样的方式进行了对比实验，将20mL二氧化碳注入20mL自来水中，进行10次实验。得到的平均值为：20mL自来水约能溶解12.4mL二氧化碳，即1体积水约能溶解0.62体积二氧化碳。因此使用自来水还是蒸馏水，在本实验中差别不大。

当然，初中阶段制取二氧化碳的药品是石灰石与稀盐酸，所以笔者也用石灰石代替碳酸钙进行了10次实验，得到的平均值为20mL水中约能溶解12.6mL二氧化碳，即1体积水约能溶解0.63体积二氧化碳，差别也不大。

经过几组对比实验，笔者发现，本实验中不论是用石灰石还是碳酸钙制取二氧化碳，用自来水还是蒸馏水溶解二氧化碳，最终得到的实验结论差别不大。这就为实验条件简陋的部分学校提供了方便，可以在力所能及的实验条件下得到理想的实验结论。

本实验用注射器控制二氧化碳和水的量，实验结果更科学直观，教师也可以适当引导学生：因为称量气体的质量较困难，所以气体的溶解能力可以用体积表示。教师也可以增加一个对比实验：常温常压下，将20mL空气注入20mL水，可观察到20mL水中仅能溶解约1mL空气，即1体积水约能溶解0.05体积空气。通过这样的对比实验，学生可以更好地感受到“二氧化碳能溶于水”和“空气难溶于水”的差别。

本实验只需二氧化碳20mL，而且注射器（不带针头）操作安全、简单，十分适合学生分组实验。教师只需提前准备20份二氧化碳，每份20mL，总量才400mL，就能供一个班级使用。虽然总量和书本演示实验需要的二氧化碳的量差不多，但是分组实验能让学生动手操作和近距离观察，更有助于培养学生的化学学科素养。

除此之外，笔者查阅北师大、华中师大、南师大合编的《无机化学》下册，发现以下内容：溶解在水中的COZ大部分以弱的水合分子存在，只有1%～4%的CO2与H2O反应生成H2CO3。碳酸是二元弱酸，其分步电离K2=5.61×1O-11[3]。笔者用上述实验所得数据“1体积水约溶解0.68体积二氧化碳”进行计算。在101KPa，298K时，气体摩尔体积为24.5L/mol，因此实验中溶在水中的二氧化碳浓度为c（CO2）=2.78×10-2mol/L，假设有1%的CO2生成了H2CO3，则碳酸的浓度为c（H2CO3）=2.78×10-4mol/L，根据碳酸的一级电离常数，计算得到电离产生的氢离子浓度c（H+）=1.07×10-5mol/L，得到pH为4.98;假设有4%的CO2生成了H2CO3，计算得到电离产生的氢离子浓度c（H+）=2.16×10-5mol/L，得出pH为4.67。笔者用pH计测定了实验后所得溶液的pH，十次实验后的平均值均为5.10。理论值和实验值略有差别，可能还是因为实验条件的限制。

參考文献

[1]郁学梅.实验室二氧化碳气体的收集及检测方法再研究[J].化学教学，2014（7）：65-66

[2]陈明元.中学化学中二氧化碳溶于水的问题[J].化学教学，2014（9）：93-94

[3]吴国庆.无机化学[M].北京：高等教育出版社，2003：567