宏微结合视域下CO2性质实验的再改进

吴冰玉

摘要：人教版初中化学教材中CO₂的性质实验中，学生难以从宏观现象挖掘微观层面的知识；为此利用注射器与医用二通阀对二氧化碳的性质实验进行改进，改进后的装置具有环保、操作简单、现象明显、有定量数据支撑、趣味性强等特点，有助于学生从宏观现象理解反应的微观原理。

关键词：宏微结合；实验改进；二氧化碳的性质；实验探究

1 问题的提出

二氧化碳的制取与性质实验对培养学生的气体制备思想、化学反应与变化思想、宏微结合思想有着十分重要的作用。传统实验均选用排空氣法作为收集二氧化碳的方式，用点燃的木条放置在集气瓶瓶口，通过熄灭与否来验证二氧化碳是否集满，而二氧化碳在空气中的体积分数只要超过 30%就能使点燃的木条熄灭^[1]，因此传统的排空气法与验满方法无法保证所收集二氧化碳的纯度；另一方面，二氧化碳与氢氧化钠反应没有十分明显的实验现象、氢氧化钠与澄清石灰水吸收二氧化碳的能力对比实验装置较为复杂，很少有老师会在班级里进行该能力对比实验，而是直接给出吸收二氧化碳选用氢氧化钠的结论，学生没有经历知识构建的过程。

鉴于上述情况，选取医用注射器与医用二通阀为实验器材，在简化实验操作与仪器的同时，保证了所收集二氧化碳的纯度；利用注射器的刻度线提供数据支撑，从定量角度帮助学生感知二氧化碳的溶解能力；简化了二氧化碳的相关性质实验操作与教师实验课前准备工作，通过更为简便的操作与直观的现象来帮助学生构建二氧化碳的性质知识体系。

2 实验改进

选60mL医用注射器和医用二通阀进行实验改进（见图1）：在二氧化碳的制取与收集中，简化了验满的操作，保证了收集气体的纯度问题；在二氧化碳的溶解性实验中，利用注射器刻度线提供定量的数据支持，帮助学生辨析“能”“易”溶于水的溶解性有何不同；在二氧化碳与水的反应过程中，简化实验器材与实验流程，帮助学生快速获取信息，精准控制了二氧化碳的体积这一变量相同；在二氧化碳的检验与吸收中，通过注射器刻度线的宏观现象帮助学生从微观层面感悟、辨析氢氧化钠与澄清石灰水吸收二氧化碳的能力强弱。

2.1二氧化碳的制备

2.1.1实验用品

60mL医用注射器、医用二通阀、镊子；大理石、稀盐酸（1：1）。

2.1.2实验方案

改进后的实验方案如图2所示：

2.1.3实验步骤与现象

（1）拉动注射器的活塞抽取部分空气后连接医用二通阀，旋紧二通阀旋钮，向下推动注射器活塞，活塞可以被推动一部分（分子间存在空隙），松手后活塞回落到原位，说明气密性良好。

（2）在注射器中放置2小块大理石，吸取适量的稀盐酸（约15mL），观察到大理石遇到稀盐酸表面产生大量的气泡；

（3）打开二通阀的旋钮，等待反应一段时间（意图：把装置内空气排空，也可以直接用活塞推出空气），利用二通阀连接另一支注射器，用手固定制取装置的活塞，静置等待产生的CO₂气体将另一支注射器活塞推动；

（4）收集所需要的体积CO₂气体后，拔掉收集装置，用另一个二通阀密闭注射器。

2.1.4改进实验的优点

（1）实验操作简单，实验仪器来自于生活，富有趣味性，也可改为家庭实验，把大理石和稀盐酸更换为鸡蛋壳和白醋（本装置可小型化至10mL注射器用于学生实验）。

（2）实验绿色环保，所用试剂较少。

（3）无需对二氧化碳进行传统的验满操作，且保证了收集气体的纯度。

2.2二氧化碳的溶解性实验

2.2.1实验用品

60mL医用注射器、医用二通阀、蒸馏水。

2.2.2实验方案

改进后的实验方案如图3所示（水温20℃）：

2.2.3实验步骤与现象

（1）准备收集了20mL二氧化碳气体的注射器1和吸取了20mL蒸馏水的注射器2；

（2）连接两注射器，打开二通阀的旋钮，将20mL蒸馏水注射入另一支盛有20mL二氧化碳气体的注射器1中，观察活塞所处刻度线位置，活塞一开始处于刻度线40mL处（20mL蒸馏水+20mL二氧化碳）；

（3）旋紧二通阀旋钮，密封后震荡注射器1；

（4）再次读取注射器1的活塞位置刻度，观察到震荡后注射器活塞向上移动，最后处于30mL处，说明二氧化碳能溶于水。（多次实验发现，震荡后刻度均停留在30mL左右，溶解体积比始终都不接近教材中描述的约为1：1，可能的原因在教学反思中进行详述。）

2.2.4改进实验的优点

（1）操作简便，相较于收集一整瓶塑料瓶气体（约350—500mL），本实验只收集了20mL气体，大大节省了收集二氧化碳气体的时间。

（2）有定量的数据支撑学生认知，现象明显，帮助学在宏观现象与微观世界之间搭建桥梁。

（3）可在家进行家庭实验，也可在学校进行学生分组实验。

（4）可以进一步设计学生探究实验：探究二氧化碳的实际溶解能力并进行误差分析，培养学生的创新思维与批判精神。

2.3二氧化碳与水的反应

2.3.1实验用品

白纸、60mL注射器、医用二通阀、紫色石蕊试纸、表面皿、吹风机、醋酸、蒸馏水、二氧化碳

2.3.2实验方案

改进后的实验方案如图4所示：

2.3.3实验步骤与现象

（1）向干燥的紫色石蕊试纸滴加酸，盖上表面皿，紫色石蕊试纸变红；

（2）向干燥的紫色石蕊试纸滴加水，盖上表面皿，紫色石蕊试纸不变色；

（3）将盛有二氧化碳的注射器贴近干燥的紫色石蕊试纸，缓慢地注射20mLCO₂气体，盖上表面皿，紫色石蕊试纸变红；

（4）将盛有二氧化碳的注射器缓慢地向湿润的紫色石蕊试纸注射20mL CO₂气体，盖上表面皿，紫色石蕊試纸变红；

（5）用吹风机的热风吹步骤（4）的试纸，发现试纸从红色变回紫色，说明碳酸分解。

2.3.4改进实验的优点

（1）绿色环保，明显节省了所需实验试剂与收集二氧化碳的时间。

（2）实验操作简便，现象对比十分明显。

（3）可以让学生利用卫生纸与富含天然指示剂的食品自制酸碱试纸，代替紫色石蕊试纸，在家进行家庭实验，自主探究二氧化碳与水反应。

2.4二氧化碳的检验与吸收

2.4.1实验用品

60mL注射器、医用二通阀、小烧杯、澄清石灰石、氢氧化钠溶液

2.4.2实验装置

改进后的实验方案如图5所示（室温25℃）：

2.4.3实验步骤与现象

（1）准备好两支盛有40mLCO₂的注射器，另取两支注射器分别吸取等体积（本实验吸取20mL）氢氧化钠溶液和澄清石灰水；

（2）利用二通阀将氢氧化钠溶液和澄清石灰水分别注入两支盛有40mLCO₂的注射器，密封两支注射器后震荡。

（3）观察两支针筒上的刻度，发现吸取氢氧化钠溶液的注射器活塞下降更多，可以定量感受到氢氧化钠吸收CO₂能力更强，引导学生得出结论：实验室检验CO₂用澄清石灰水，因为有浑浊现象；除去CO₂用氢氧化钠，因为吸收能力更强。

2.4.4改进实验的优点

（1）利用针筒上的刻度，可以定量的感受到氢氧化钠吸收CO₂的能力更强；

（2）培养学生控制变量的思想。

3反思

在二氧化碳的溶解性实验中，多次实验发现二氧化碳与水的体积比并不接近1：1，在查阅资料进行综合分析后，认为造成这一现象的原因如下：一是二氧化碳的实际溶解度就是在20℃，一个标准大气压下，1 体积水中能溶解 0.88 体积的二氧化碳。二是二氧化碳溶于水的速度比较慢，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］，所以本实验即使充分震荡，但时间有限（仅进行了1分钟左右），也无法保证获得了饱和溶液；有利用传感技术的研究发现在通常情况下，二氧化碳气体在水中的溶解速率远远小于二氧化碳的制取速率^[3]。气体的溶解度随温度的增大而减小，因此排热水法也不失为收集二氧化碳气体的一种方式，在保证了纯度的同时，可以观察到气体流速和收集情况。

参考文献：

[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] 王欣磊，沈甸.气体压强传感技术在中学化学实验教学中的应用［J］.化学教学，2015（9）：58-61.