顏燕

摘 要：二氧化碳的制取和性質(zhì)檢驗實驗是初中階段重要的化學實驗之一，但在課本實驗設計方案中還存在不連貫性、繁瑣性、不安全性等局限性，不利于教師的課堂演示和學生分組實驗，針對局限性，對實驗裝置、藥品使用等方面進行改良，設計更具有簡潔性、連貫性、安全性、可操作性的優(yōu)化實驗方案，并對優(yōu)化實驗方案的優(yōu)缺點進行分析，使該實驗方案更適用于課堂教學。

關鍵詞：二氧化碳制??；性質(zhì)檢驗；優(yōu)化實驗

二氧化碳制取和性質(zhì)檢驗實驗是人教版九年級上冊教材第六單元的內(nèi)容，是課程標準中要求學生必須進行分組實驗的8個實驗之一[1]，也是中考的高頻考點。在學習氧氣的制取和性質(zhì)檢驗實驗時，學生對氣體發(fā)生裝置、收集裝置的選擇，氣體除雜和性質(zhì)探究等知識都有了一定的了解，為二氧化碳的制取和性質(zhì)檢驗實驗奠定了一定的理論和實踐基礎。第七單元講解的氫氣制取和收集內(nèi)容與二氧化碳的制取和收集有相似之處，因此，二氧化碳的相關知識在課本內(nèi)容安排上處于承前啟后的地位。教師通常會以氧氣的制取為例來分析二氧化碳的制取，按照原理分析、裝置選擇、實驗步驟、性質(zhì)探究的順序進行，但不同的物質(zhì)性質(zhì)不同，實驗方案也會有一定的區(qū)別，不能直接照搬。教材旨在使學生對二氧化碳的制取原理、裝置和性質(zhì)有簡單、系統(tǒng)的理解，書本呈現(xiàn)的方案在現(xiàn)實教學操作中還存在一定的局限性。本研究將對書本實驗設計及有關改進方案進行系統(tǒng)分析，并設計適合課堂教學使用的優(yōu)化方案。

1 教材實驗及其改進方案分析

1.1 教材方案分析

教材中提出的制取二氧化碳的收集裝置有如下兩種：a、b裝置都是最簡單典型的固液常溫型發(fā)生裝置（見圖1），從裝置器材角度研究，其具有簡便的優(yōu)點，但在實際教學操作中還存在如下局限性：兩裝置皆不能控制反應的發(fā)生和停止，當錐形瓶中液體過多時不利于二氧化碳氣體的導出，也會影響新加入錐形瓶中稀鹽酸的質(zhì)量濃度，從而影響二氧化碳產(chǎn)生的速度，甚至可能導致一部分液體被壓回長頸漏斗或是橡膠塞被氣壓擠開，埋下安全隱患。b裝置由于儀器限制無法在制取過程中及時添加藥品，無法滿足制取大量二氧化碳的需求。

教材將二氧化碳的制取和性質(zhì)檢驗分為兩個課題，實驗也分為兩個部分，導致實驗不連貫，耗時太長，不利于課堂操作[2]。在進行二氧化碳的性質(zhì)檢驗教學時，教師需提前制取二氧化碳后轉(zhuǎn)移至演示教室，且按教材設計，對二氧化碳的量和份數(shù)有一定要求，在部分性質(zhì)檢驗實驗里有一定的操作技巧但教材未詳細說明，這些綜合因素將會造成如下問題：（1）只注重讓學生學習最簡單的制取二氧化碳的方法和收集方法，卻忽略了除雜過程；（2）未對利用實驗室原理制得的以二氧化碳為主的混合氣體進行除雜處理，從而造成對性質(zhì)檢驗實驗結果的錯誤判斷；（3）未實現(xiàn)二氧化碳的現(xiàn)制現(xiàn)用，在出現(xiàn)連排課時制取時間緊張，且在運輸途中容易逸散，不便于開展多班級教學[3]；（4）需要的二氧化碳量不容易掌握，容易因二氧化碳不足導致實驗失?。唬?）性質(zhì)檢驗實驗分步較繁瑣，且部分實驗需要一定的技巧才能成功，增加了學生對實驗步驟的理解和對實驗現(xiàn)象及結論進行分析的難度。

1.2 改進方案分析

通過文獻查閱發(fā)現(xiàn)，針對二氧化碳的制取和性質(zhì)檢驗實驗的改進，前人已有許多創(chuàng)造性研究成果，并在實驗裝置改造和藥品使用等方面提出了許多改進方案，但這些方案有的偏向于將綠色化學融入實驗方案，使用生活廢物利用的方法進行家庭實驗改良，使學生更容易獲得實驗材料，在家開展實驗。這類方案簡單便捷，適于學生開展家庭小實驗，培養(yǎng)他們的學習興趣，但不適用于課堂規(guī)范實驗教學。有的改進方案雖然裝置設計別出心裁，但并沒有將課本所要求檢驗的二氧化碳基本性質(zhì)檢驗完全，未能達到課堂教學的要求，且將二氧化碳在本課題中還未涉及的其他性質(zhì)放入方案探究，增加了教學量且對學生的要求提高，在拓展學生知識方面有積極意義，但增加了本課題的課堂教學壓力。還有的方案雖然在內(nèi)容和裝置上都改良得很完善，但操作過程晦澀難懂，不便于學生理解實施。

針對以上方案的不足，本項目提出下述優(yōu)化方案。

2 優(yōu)化方案設計

2.1 實驗目的

制取二氧化碳并為其除雜，驗證二氧化碳與水反應的產(chǎn)物能使石蕊溶液變紅、二氧化碳密度比空氣大、二氧化碳不燃燒也不支持燃燒、二氧化碳能使澄清石灰水變渾濁、二氧化碳能溶于水。

2.2 實驗器材和藥品

器材：分液漏斗、錐形瓶、去蓋小藥瓶（生活中廢棄的）、橡膠塞、導氣管（直管和彎管）、粗銅絲、膠皮管、止水夾、干燥管、鐵架臺、三通管、火柴、5個小礦泉水瓶、棉花、藍色石蕊試紙、燒杯。

藥品：稀鹽酸、大理石、飽和碳酸氫鈉溶液、無水氯化鈣、澄清石灰水、蒸餾水。

2.3 實驗原理

2.4 實驗裝置

將實驗裝置結合實驗目的分為3個部分。發(fā)生裝置將教材實驗a裝置的長頸漏斗改成分液漏斗（見圖2）。實驗時先將大理石放入錐形瓶中，從分液漏斗中加入稀鹽酸。在橡膠塞上加了一根與去蓋小藥瓶相連接的粗銅絲，粗銅絲可以上下抽動，當錐形瓶中液體過多時可以將粗銅絲下移，將一部分液體轉(zhuǎn)移到小藥瓶里。

除雜裝置為兩個依次連接的干燥管，實驗時依次裝入蘸有飽和碳酸氫鈉溶液的棉花和無水氯化鈣，為防止氯化鈣固體被氣流帶入干燥管口造成儀器堵塞、排氣不暢，可在固體后放置一小團棉花。該除雜裝置依次除去了二氧化碳中混有的氯化氫氣體和水。

性質(zhì)檢驗裝置中使用了4個小礦泉水瓶，將4個瓶子分別從距離瓶口1/3高度的位置切下，留下剩余的2/3備用，取兩個礦泉水瓶的剩余部分，將底部各鉆10個小洞，在一個瓶底的內(nèi)側(cè)和另一個瓶底的外側(cè)都各放一張干燥的藍色石蕊試紙和一張濕潤的藍色石蕊試紙，切口相對嵌套，然后用膠密封，且在距離兩個瓶底相同的位置剪一個恰好能插入導氣管的小洞，并插入一支導氣管，用膠密封，再向剩下的兩個礦泉水瓶備用部分中的一個滴入適量澄清石灰水，后將切口部分分別套在之前兩個瓶底的位置，其中，滴有澄清石灰水的位于下方，再用膠密封后將該部分利用膠皮管連接在三通管的一個分叉支管上。

2.5 實驗步驟

2.5.1 檢查裝置氣密性

關閉分液漏斗活塞和性質(zhì)檢驗裝置下方止水夾，打開性質(zhì)檢驗裝置上方止水夾，并將此處導氣管下端管口伸入燒杯中的液面以下，隔石棉網(wǎng)微熱錐形瓶，若導氣管口有氣泡冒出，停止微熱，導氣管中形成一段穩(wěn)定的水柱，說明裝置氣密性良好。

2.5.2 裝藥品，再組裝儀器

優(yōu)化實驗總裝置步驟如下（見圖3）：

（1）將分液漏斗、帶小藥瓶的粗銅絲、導氣管依次安裝在帶孔橡膠塞上，再套入裝有大理石的錐形瓶口。

（2）將倒氣管依次連接蘸有飽和碳酸氫鈉溶液和裝有無水氯化鈣的干燥管，并將干燥管固定在鐵架臺上。

（3）利用三通管將檢驗裝置連接在干燥管之后。

2.5.3 性質(zhì)檢驗

打開發(fā)生裝置中的止水夾，關閉性質(zhì)檢驗裝置的上方止水夾，打開下方止水夾，打開分液漏斗活塞，滴入錐形瓶的稀鹽酸開始與大理石反應。一段時間后發(fā)現(xiàn)干燥的藍色石蕊試紙不變色，濕潤的藍色石蕊試紙從下至上依次變紅，變色現(xiàn)象說明二氧化碳自身不能使石蕊變色，是其與水反應生成的碳酸使石蕊變色，由下至上的變色順序說明二氧化碳密度比空氣密度大。下方澄清石灰水變渾濁，說明二氧化碳能與澄清石灰水反應而使其變渾濁。然后，關閉性質(zhì)檢驗裝置中的下方止水夾，打開上方止水夾，將點燃的火柴放在上方導氣管口，火柴迅速熄滅，說明二氧化碳本身不能燃燒也不能支持燃燒。接下來，撤掉火柴，將一空軟礦泉水瓶放在該位置，用向上排空氣法收集一瓶氣體，之后向瓶里倒入約1/3體積的水，擰上瓶蓋振蕩，振蕩后，發(fā)現(xiàn)礦泉水瓶變癟，說明二氧化碳能溶于水。

3 優(yōu)化實驗優(yōu)缺點分析

3.1 優(yōu)點分析

發(fā)生裝置部分分液漏斗的使用實現(xiàn)了對反應發(fā)生的控制，將小藥瓶拴在可抽動的銅絲上可以帶走部分多余液體，從而保持二氧化碳的制取速度并使二氧化碳能順利排出。

對于除雜裝置課本上未進行設計講解，在課堂新課教學順序中其應處于制取和性質(zhì)檢驗之間，但由于這兩個知識點被分成了兩個課題，除雜問題往往容易被忽略。制取所得的二氧化碳中混有水和鹽酸揮發(fā)出來的少量氯化氫氣體，但在許多習題和實驗設計中常常忽略了雜質(zhì)中的氯化氫氣體，這些都將對二氧化碳本身不能使石蕊變色，是其與水反應生成的碳酸使石蕊變色這條性質(zhì)的檢驗產(chǎn)生干擾。在班級流動和分組實驗時，藥品移動時液體藥品容易灑出，使用蘸有碳酸氫鈉飽和溶液的棉花比直接使用飽和碳酸氫鈉溶液更方便，也更安全，且減少了溶液使用量，所需裝置安裝也比較簡單，在除雜的同時還產(chǎn)生二氧化碳，在一定意義上節(jié)約了原料藥品。常見的干燥方法為使用濃硫酸，濃硫酸有較強的腐蝕性，在學生分組進行實驗時，使用濃硫酸存在一定的安全隱患，換用無水氯化鈣固體藥品能達到干燥的效果且較為安全。

優(yōu)化實驗后將二氧化碳的制取、除雜、性質(zhì)檢驗融為一體，實現(xiàn)了教學思路的連貫性，也使得性質(zhì)檢驗所用的二氧化碳較為純凈，減少了對實驗的干擾。二氧化碳即制即用，不需要提前收集，既避免了二氧化碳的逸散，也避免了課堂實驗中二氧化碳的量準備不足而導致實驗失敗的尷尬局面。在教材中設計的性質(zhì)檢驗實驗都是分步進行的，較為繁瑣，且有些步驟容易失敗。比如教材利用燃燒的梯級蠟燭驗證二氧化碳密度比空氣大、不燃燒也不支持燃燒的性質(zhì)，如若使用的二氧化碳量不夠或者傾倒的角度不合適都有可能出現(xiàn)蠟燭不熄滅或者上層蠟燭先熄滅的現(xiàn)象，失敗率高，而優(yōu)化實驗將其與二氧化碳使紫色石蕊溶液變紅的性質(zhì)檢驗實驗放在一起，不僅簡化了實驗流程且成功率增加，可操作性增強。教材在二氧化碳使?jié)駶櫟氖镌嚰堊兩再|(zhì)檢驗實驗中使用了4朵小花進行了5步操作檢驗，過程較為繁瑣，且實驗時間長，優(yōu)化后實驗較為簡潔。

3.2 缺點分析

在發(fā)生裝置中，小藥瓶只能將液體取出一次，持續(xù)性還有待加強。其中，小藥瓶的規(guī)格應視錐形瓶規(guī)格而定，選用材料時應選用合適的規(guī)格。用性質(zhì)檢驗裝置處理并安裝礦泉水瓶的同時要裝入藥品，處理時也要確保安裝后裝置的密封性，確保氣密性良好，且使用該裝置未證明碳酸易分解。

4 結語

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，基于學生剛接觸化學學習的初中階段背景，以教師在實際教學中應利用實驗操作激發(fā)學生學習興趣為基礎，以改善教材中二氧化碳的制取和性質(zhì)檢驗實驗及其多種實驗改進方案中所存在的局限性為目標，從實驗裝置的改進和藥品的使用著手，設計了更適合課堂教學且具有簡潔性、連貫性、安全性、可操作性的優(yōu)化實驗方案。

[參考文獻]

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準[M].2011年版.北京：人民教育出版社，2011.

[2] 唐麗華.制取二氧化碳及其性質(zhì)的實驗改進[J].中小學實驗與裝備，2016，26（2）：37.

[3] 朱清勇，瞿生林.妙用廢礦泉水瓶改進二氧化碳制取裝置[J].實驗教學與儀器，2015，32（7）：110.