楊松耀

摘要： 針對用澄清石灰水檢驗(yàn)空氣中二氧化碳實(shí)驗(yàn)的不足，作思考、分析及實(shí)驗(yàn)探究。用打氣筒替代注射器，小試管替代錐形瓶改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。利用該裝置，通過將空氣通入不同濃度和體積的澄清石灰水中進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)澄清石灰水濃度越高、體積相對較小時(shí)，石灰水變渾濁的現(xiàn)象越明顯。改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)操作簡便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)快速且明顯。

關(guān)鍵詞： 空氣中二氧化碳檢驗(yàn)； 澄清石灰水； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號： 10056629（2018）9007503 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 教材實(shí)驗(yàn)存在的問題

利用澄清石灰水檢驗(yàn)空氣中二氧化碳?xì)怏w是浙教版義務(wù)教育教科書《科學(xué)》八年級下冊第三章第一節(jié)“空氣與氧氣”中的一個(gè)學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)利用注射器將空氣壓入裝有澄清石灰水的錐形瓶中，利用二氧化碳能使澄清石灰水變渾濁的性質(zhì)來檢驗(yàn)空氣中二氧化碳?xì)怏w的存在（實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示）[1]。在學(xué)生實(shí)際活動(dòng)過程中，利用教材裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，澄清石灰水變渾濁的時(shí)間比較長，一般需要五、六分鐘，個(gè)別學(xué)生組則需要十來分鐘才能觀察到比較明顯的變渾濁現(xiàn)象，而且實(shí)驗(yàn)過程中需要將注射器不斷地與進(jìn)氣導(dǎo)管連接和脫離，操作十分繁瑣。降低了學(xué)生對本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的興趣，也影響了課堂教學(xué)的效果與效率。

2 對空氣中二氧化碳檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的思考

2.1 不同濃度和體積的澄清石灰水與二氧化碳作用變渾濁的效果的研究

根據(jù)吳文中[2]對澄清石灰水與二氧化碳的作用機(jī)理研究的結(jié)果，參考伍強(qiáng)等[3]對澄清石灰水與二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)探究的結(jié)果可以得到： 在飽和澄清石灰水中通入二氧化碳?xì)怏w時(shí)，氫氧化鈣飽和溶液的pH≈12.6，堿性較強(qiáng)，產(chǎn)生碳酸鈣沉淀難以溶解，容易觀察到溶液變渾濁；許燕紅等[4]研究表明相同濃度不同體積的澄清石灰水與二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)，出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象的時(shí)間隨澄清石灰水的量的增加而增長。根據(jù)上述研究結(jié)果，建立兩個(gè)假設(shè)：

假設(shè)1： 相同體積的澄清石灰水，濃度越大，通入空氣后出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象的時(shí)間越短，即如果通入相同體積的空氣，澄清石灰水濃度越高，變渾濁現(xiàn)象越明顯。

假設(shè)2： 相同濃度的澄清石灰水，體積越小，通入空氣后出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象的時(shí)間也越短，即如果通入相同體積的空氣，澄清石灰水體積越小，變渾濁現(xiàn)象越明顯?；谶@兩個(gè)假設(shè)，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

（1） 石灰水濃度與渾濁現(xiàn)象明顯程度的關(guān)系。室溫下用注射器將3L空氣以同樣的速度緩緩?fù)ㄈ?mL不同濃度的澄清石灰水溶液中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（石灰水配制比例和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)石灰水濃度越高，通入等量空氣后，變渾濁現(xiàn)象越明顯，即假設(shè)1成立。

（2） 石灰水體積與渾濁現(xiàn)象明顯程度的關(guān)系。室溫下以同樣的方法用注射器將2L空氣以同樣的速度緩緩?fù)ㄈ氩煌w積的飽和澄清石灰水溶液中。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)澄清石灰水體積為1mL時(shí)現(xiàn)象最為明顯；溶液體積為1.5mL相對1mL現(xiàn)象稍有差別，變渾濁現(xiàn)象明顯；2mL的現(xiàn)象在此對比實(shí)驗(yàn)中最不明顯，而體積為0.5mL的現(xiàn)象也明顯，但相對于石灰水體積為1mL，由于溶液體積過小，視覺效果稍差（具體如表2所示），為此假設(shè)2也成立。

2.2 二氧化碳與澄清石灰水反應(yīng)原理分析

根據(jù)二氧化碳與澄清石灰水反應(yīng)的原理： Ca（OH）2+CO2CaCO3↓+H2O，可以得出氫氧化鈣和二氧化碳反應(yīng)物質(zhì)的量之比為1∶1，以氫氧化鈣常溫下（20℃）的溶解度0.165克[5]計(jì)算可得，常溫下氫氧化鈣飽和溶液物質(zhì)的量濃度為0.0223mol/L，若取氫氧化鈣飽和溶液1mL，根據(jù)空氣中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)0.04%[6]計(jì)算，要使飽和澄清石灰水溶液中的氫氧化鈣全部轉(zhuǎn)化為碳酸鈣沉淀，至少需要空氣1.4L，而實(shí)驗(yàn)過程中不可能使所有通入空氣中的二氧化碳?xì)怏w都與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，所以實(shí)際通入空氣的體積比理論值要大得多。

2.3 空氣通入澄清石灰水中變渾濁時(shí)間長的原因分析

鑒于以上分析并結(jié)合在學(xué)生活動(dòng)中出現(xiàn)的情況，筆者認(rèn)為向澄清石灰水中通入空氣觀察變渾濁現(xiàn)象時(shí)間長的主要原因有以下四個(gè)方面：

（1） 空氣中二氧化碳含量太低。由于二氧化碳含量低，單次通入空氣時(shí)二氧化碳與氫氧化鈣反應(yīng)產(chǎn)生的碳酸鈣量過少，這是造成實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長的主要原因。

（2） 錐形瓶體積大，裝有的澄清石灰水多。由于短時(shí)間內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀量少，在較多的溶液中肉眼不易辨別，現(xiàn)象不夠明顯。

（3） 澄清石灰水濃度問題。澄清石灰水久置后濃度極易變稀，在25℃環(huán)境下，靜置1天的飽和澄清石灰水濃度為1.12×10-2mol·L-1，幾乎僅為其飽和時(shí)濃度2.12×10-2mol·L-1的一半[7]，如果實(shí)驗(yàn)不是采用新制的飽和澄清石灰水，則會因濃度過稀而使渾濁出現(xiàn)時(shí)間變長。

（4） 學(xué)生操作原因。在將注射器不斷與導(dǎo)管連接和脫離也需要消耗較多的時(shí)間，加上部分學(xué)生操作緩慢，更加延長了實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的時(shí)間。

假如能用一種簡單的方法，將空氣持續(xù)不斷地通入少量的飽和澄清石灰水中，或許實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象將會既快速又明顯。根據(jù)這一思路，筆者對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

3 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

小型自行車打氣筒、小試管、雙孔橡皮塞、橡膠管、玻璃導(dǎo)管、新制飽和澄清石灰水

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 按圖2連接實(shí)驗(yàn)裝置。

（2） 向小試管中加入約1毫升澄清石灰水，并將雙孔橡皮塞蓋在試管口。

（3） 利用打氣筒將空氣通過導(dǎo)管緩緩壓入小試管，觀察澄清石灰水變渾濁現(xiàn)象，確認(rèn)空氣中存在二氧化碳?xì)怏w。

3.4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

（1） 器材易得，操作簡單易行。自行車打氣筒一般家庭都有，即使購買價(jià)格也比較便宜，且現(xiàn)在的打氣筒均配備多種打氣接口，非常方便與導(dǎo)管的連接。使用打氣筒替代注射器，避免了每次通氣時(shí)不斷連接與斷開的麻煩，極大地簡化了實(shí)驗(yàn)的操作。

（2） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。雖然空氣中二氧化碳含量很低，但采用小試管和少量澄清石灰水，變渾濁現(xiàn)象較錐形瓶明顯。

（3） 有效縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。由于能持續(xù)通入空氣，一般1分鐘左右（100mL打氣筒，打氣20次左右）就能明顯觀察到澄清石灰水變渾濁的現(xiàn)象，與教材實(shí)驗(yàn)5～10分鐘相比，實(shí)驗(yàn)時(shí)間有效縮短，節(jié)省了課堂教學(xué)時(shí)間，便于開展更多的教學(xué)活動(dòng)。

4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1） 選用試管盡可能小，裝入的石灰水盡可能少。筆者通過對不同規(guī)格的試管、不同體積的溶液進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，利用規(guī)格為Φ12mm×70mm的試管、1mL澄清石灰水時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象最為快速明顯。

（2） 通入空氣盡可能緩慢，以便于空氣中的二氧化碳能與氫氧化鈣充分反應(yīng)。

（3） 選用新制的飽和澄清石灰水。實(shí)驗(yàn)過程中盡可能選用新制的飽和澄清石灰水，而且在配制時(shí)選擇蒸餾水，不要使用自來水進(jìn)行配制，以排除其他離子的干擾。

（4） 如有必要，設(shè)置對照組。為了便于觀察，可以在通入空氣之前選擇兩支試管分別倒入等量的澄清石灰水，一支試管通入空氣，另一支作為空白。一段時(shí)間后與另一支進(jìn)行對比，這樣效果更為明顯。

參考文獻(xiàn)：

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[3][7]伍強(qiáng)， 趙賢祥， 杜明桂. 澄清石灰水與二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)的探究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018，（4）： 75～77.

[4]許燕紅， 張玉萍. 二氧化碳使澄清石灰水先渾濁后澄清的條件探究[J]. 化學(xué)教育， 2013，（8）： 68～69， 75.

[5]朱清時(shí)主編. 義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·科學(xué)（八年級上冊）[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2014： 28.