初中化學實驗設計之二氧化碳制取的研究

　　1．化學反應原理：

　　該實驗分為幾個部分。

　　第一部分，根據復習和歸納氧氣的實驗室制取，總結出氣體制備的發生裝置與收集裝置選擇的思路。

　　第二部分，探究二氧化碳實驗室制備裝置的選擇。實驗室制取二氧化碳得用石灰石（或大理石）與稀鹽酸在常溫下反應。

　　據此探究二氧化碳制取的裝置。首先得有容器，由于該反應不需要加熱，該反應的容器有很大的選擇范圍。為了在反應前固體與液體不接觸，可以添加一個加液體的裝置（比如長頸漏斗、注射器等），反應不需要加熱，故不需要酒精燈等加熱的設備。

　　二氧化碳能溶于水，不宜用排水集氣法收集；二氧化碳密度比空氣大，可用排上排空氣集氣法收集。

　　第三部分：制取二氧化碳。用石灰石和稀鹽酸反應，用最簡單的裝置制取。

　　2．實驗儀器：試管、燒杯、單孔塞、集氣瓶、玻璃片等。

　　實驗藥品：石灰石（或大理石）、稀鹽酸、澄清石灰水等。

　　3．探究方案：

　　⑴在復習氧氣的實驗室制法的基礎上，歸納出制取氣體的發生裝置和收集裝置選擇的思路：

　　氣體的發生裝置的選擇必須考慮：①考慮反應物的狀態（固態與固態或固態與液態或液態與液態，中學實驗中一般不會出現氣態與氣態物質反應制備氣體的情況）；②考慮反應條件（是常溫下反應還是加熱條件下反應）。

　　氣體的收集裝置的選擇由氣體的性質決定的。不易溶于水的能用排水集氣法收集；密度小于空氣且不與空氣中任何氣體反應的用向下排空氣集氣法收集，密度比空氣大且不與空氣中任何成分反應的，用向上排空氣集氣法收集。

　　⑵探究制取二氧化碳的裝置。

　　在上述分析的基礎上，教材引導學生從圖16-1中選擇儀器，組裝成制取二氧化碳的實驗室裝置。其實可選擇的儀器遠不止這些。

　　制取二氧化碳用塊狀固體石灰石（或大理石）與液體稀鹽酸反應，因此必須有容器盛裝反應物。反應不需要加熱，所以該容器的選擇范圍很大，幾乎所有能用帶導管的塞子封閉容器口的都可以選擇作為該反應的容器。比如試管、錐形瓶、燒瓶、廣口瓶，甚至連日常生活中的各種瓶子。

　　為了使反應開始準備充分后再收集二氧化碳，就有必要在此之前將反應物石灰石（或大理石）和稀鹽酸分開。可在裝置中加一長頸漏斗或分分液漏斗。若用長頸漏斗，需插入液面以下進行液封，防止氣體從長頸漏斗中逸出。還可以選用注射器等，不贅述。

　　二氧化碳能溶于水，但溶解性不大，1體積水中僅溶解1體積二氧化碳，且溶解的速度比較慢，完全可以用啟普發生器器制取。

　　圖16-2是筆者列舉的幾例制取二氧化碳的裝置。可引導學生開動腦筋，還可以找出很多裝置。

　　⑶制取二氧化碳

　　學生實驗可用最簡單的裝置。

　　①檢查裝置的氣密性。裝置好裝置，用手握住試管，導管另一端插入水中，觀察有無氣泡產生。

　　②在試管內加入適量的石灰石（或大理石），加適量的稀鹽酸，塞上帶導管的塞子。

　　③用向上排空氣法收集氣體，用燃著的木條放在集氣瓶口試驗，若木條熄滅，說明二氧化碳已經收集滿。蓋上玻璃片，正放在桌面上待用。（如圖16-3）

　　4．探究評價：

　　⑴二氧化碳發生裝置的選擇是該探究的重點。教材如此安排有利于開發學生的學科能力。教師應引導學生，培養其發散思維，盡可能多地找出發生裝置。

　　⑵二氧化碳制取采用上述實驗，藥品用量少，裝置簡單，操作方便。但制取的二氧化碳量也少，更換藥品很不方便，更不能控制反應的開始與終止。

　　教師實驗可采用如下裝置。（如圖16-4）

　　5．資源開發：

　　⑴原料選擇：

　　用于制取二氧化碳的藥品很多，除大理石和石灰石外，還可以選用的有雞蛋殼、貝殼等。水泥塊和陳舊的石灰塊也有較好的制取效果，但由于含雜質較多，反應時，容器中會出現大量的黑色泡沫，外觀很不好看。

　　⑵儀器選擇：

　　日常生活中的很多容器都可以用作制取二氧化碳的容器，如礦泉水瓶、牛奶瓶等。

　　⑶制取二氧化碳量較多時，可用如圖16-5所示裝置制取。

　　取兩支無底的廢舊試管，將試管口銼平，一去底部塞上帶導管的單孔塞，另一支上下都塞上帶導管的單孔塞，并用橡皮管將其連接起來，固定在鐵架臺上。在A管中加入適量的稀鹽酸，在B管中加入石灰石（或大理石）。提起A管，使稀鹽酸流入B管內，與石灰石接觸反應。不用時，可將A管放低，稀鹽酸流入A管內，反應停止。

　　該裝置雖然不是利用啟普發生器的原理，但也可以控制反應的進行與停止。

　　6．創新思維：

　　⑴醋酸和純堿能否用于制取二氧化碳？

　　不能。

　　很多資料里都用這種方法作為學生的家庭實驗，但筆者做了很多次，效果都很差，反應速率很慢。

　　⑵稀硫酸能否用于制取二氧化碳？

　　能。

　　硫酸與塊狀石灰石或大理石反應時，一開始有大量氣泡產生。隨著時間的推移，反應速率越來越慢，最后停止。這是由于反應生成了不易溶于水的硫酸鈣，阻止了反應的進一步進行。

　　但若將石灰石（或大理石）研成粉末再與稀硫酸反應，則有理想怕反應速度。若稀硫酸的量足夠，可保證石灰石（或大理石）反應完全。這是由于石灰石（或大理石）顆粒小，與稀硫酸有很大的接觸面積。

　　但不可用濃硫酸。硫酸濃度大，含水量少。反應后生成的硫酸鈣迅速沉淀，使反應立即停止。

　　⑶能否用排水法收集二氧化碳？

　　二氧化碳能溶于水，在1atm下，1體積水能溶解1體積二氧化碳。這是理論值，并且是飽和狀態下的溶解值。二氧化碳溶解達到飽和的需要多長時間呢？

　　取一支大試管（或50毫升量筒），用排水法收集滿二氧化碳，用大拇指堵住試管口取出試管，再倒插入盛有適量水的燒杯中，靜置觀察，如圖16-6。24h后，試管內液面可升至試管高度的1／2，3～5天內水可充滿整個試管。

　　由上述實驗可以得出結論，雖然二氧化碳能溶于水，但由于溶解速度是，實驗室收集二氧化碳完全可以排水集氣法收集。當然，這也應視具體情況，若需收集干燥的二氧化碳，還是用排空氣法為宜；收集二氧化碳的量較少時，也不宜用排水法

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