空气中二氧化碳检验实验的新改进

杨松耀

摘要： 针对用澄清石灰水检验空气中二氧化碳实验的不足，作思考、分析及实验探究。用打气筒替代注射器，小试管替代锥形瓶改进实验装置。利用该装置，通过将空气通入不同浓度和体积的澄清石灰水中进行试验，发现澄清石灰水浓度越高、体积相对较小时，石灰水变浑浊的现象越明显。改进后实验操作简便，实验现象呈现快速且明显。

关键词： 空气中二氧化碳检验； 澄清石灰水； 实验改进

文章编号： 10056629（2018）9007503 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 教材实验存在的问题

利用澄清石灰水检验空气中二氧化碳气体是浙教版义务教育教科书《科学》八年级下册第三章第一节“空气与氧气”中的一个学生小组实验活动。实验利用注射器将空气压入装有澄清石灰水的锥形瓶中，利用二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊的性质来检验空气中二氧化碳气体的存在（实验装置如图1所示）[1]。在学生实际活动过程中，利用教材装置进行实验，澄清石灰水变浑浊的时间比较长，一般需要五、六分钟，个别学生组则需要十来分钟才能观察到比较明显的变浑浊现象，而且实验过程中需要将注射器不断地与进气导管连接和脱离，操作十分繁琐。降低了学生对本实验活动的兴趣，也影响了课堂教学的效果与效率。

2 对空气中二氧化碳检验实验的思考

2.1 不同浓度和体积的澄清石灰水与二氧化碳作用变浑浊的效果的研究

根据吴文中[2]对澄清石灰水与二氧化碳的作用机理研究的结果，参考伍强等[3]对澄清石灰水与二氧化碳气体反应探究的结果可以得到： 在饱和澄清石灰水中通入二氧化碳气体时，氢氧化钙饱和溶液的pH≈12.6，碱性较强，产生碳酸钙沉淀难以溶解，容易观察到溶液变浑浊；许燕红等[4]研究表明相同浓度不同体积的澄清石灰水与二氧化碳气体反应，出现浑浊现象的时间随澄清石灰水的量的增加而增长。根据上述研究结果，建立两个假设：

假设1： 相同体积的澄清石灰水，浓度越大，通入空气后出现浑浊现象的时间越短，即如果通入相同体积的空气，澄清石灰水浓度越高，变浑浊现象越明显。

假设2： 相同浓度的澄清石灰水，体积越小，通入空气后出现浑浊现象的时间也越短，即如果通入相同体积的空气，澄清石灰水体积越小，变浑浊现象越明显。基于这两个假设，进行对比实验。

（1） 石灰水浓度与浑浊现象明显程度的关系。室温下用注射器将3L空气以同样的速度缓缓通入2mL不同浓度的澄清石灰水溶液中，进行实验（石灰水配制比例和实验结果如表1所示）。根据实验结果，可以发现石灰水浓度越高，通入等量空气后，变浑浊现象越明显，即假设1成立。

（2） 石灰水体积与浑浊现象明显程度的关系。室温下以同样的方法用注射器将2L空气以同样的速度缓缓通入不同体积的饱和澄清石灰水溶液中。根据实验结果，可以发现当澄清石灰水体积为1mL时现象最为明显；溶液体积为1.5mL相对1mL现象稍有差别，变浑浊现象明显；2mL的现象在此对比实验中最不明顯，而体积为0.5mL的现象也明显，但相对于石灰水体积为1mL，由于溶液体积过小，视觉效果稍差（具体如表2所示），为此假设2也成立。

2.2 二氧化碳与澄清石灰水反应原理分析

根据二氧化碳与澄清石灰水反应的原理： Ca（OH）2+CO2CaCO3↓+H2O，可以得出氢氧化钙和二氧化碳反应物质的量之比为1∶1，以氢氧化钙常温下（20℃）的溶解度0.165克[5]计算可得，常温下氢氧化钙饱和溶液物质的量浓度为0.0223mol/L，若取氢氧化钙饱和溶液1mL，根据空气中二氧化碳的体积分数0.04%[6]计算，要使饱和澄清石灰水溶液中的氢氧化钙全部转化为碳酸钙沉淀，至少需要空气1.4L，而实验过程中不可能使所有通入空气中的二氧化碳气体都与氢氧化钙发生反应，所以实际通入空气的体积比理论值要大得多。

2.3 空气通入澄清石灰水中变浑浊时间长的原因分析

鉴于以上分析并结合在学生活动中出现的情况，笔者认为向澄清石灰水中通入空气观察变浑浊现象时间长的主要原因有以下四个方面：

（1） 空气中二氧化碳含量太低。由于二氧化碳含量低，单次通入空气时二氧化碳与氢氧化钙反应产生的碳酸钙量过少，这是造成实验时间较长的主要原因。

（2） 锥形瓶体积大，装有的澄清石灰水多。由于短时间内反应产生的碳酸钙沉淀量少，在较多的溶液中肉眼不易辨别，现象不够明显。

（3） 澄清石灰水浓度问题。澄清石灰水久置后浓度极易变稀，在25℃环境下，静置1天的饱和澄清石灰水浓度为1.12×10-2mol·L-1，几乎仅为其饱和时浓度2.12×10-2mol·L-1的一半[7]，如果实验不是采用新制的饱和澄清石灰水，则会因浓度过稀而使浑浊出现时间变长。

（4） 学生操作原因。在将注射器不断与导管连接和脱离也需要消耗较多的时间，加上部分学生操作缓慢，更加延长了实验活动的时间。

假如能用一种简单的方法，将空气持续不断地通入少量的饱和澄清石灰水中，或许实验现象将会既快速又明显。根据这一思路，笔者对该实验进行改进。

3 实验的改进

3.1 实验器材

小型自行车打气筒、小试管、双孔橡皮塞、橡胶管、玻璃导管、新制饱和澄清石灰水

3.2 实验装置

3.3 实验步骤

（1） 按图2连接实验装置。

（2） 向小试管中加入约1毫升澄清石灰水，并将双孔橡皮塞盖在试管口。

（3） 利用打气筒将空气通过导管缓缓压入小试管，观察澄清石灰水变浑浊现象，确认空气中存在二氧化碳气体。

3.4 实验改进后的优点

（1） 器材易得，操作简单易行。自行车打气筒一般家庭都有，即使购买价格也比较便宜，且现在的打气筒均配备多种打气接口，非常方便与导管的连接。使用打气筒替代注射器，避免了每次通气时不断连接与断开的麻烦，极大地简化了实验的操作。

（2） 实验现象明显。虽然空气中二氧化碳含量很低，但采用小试管和少量澄清石灰水，变浑浊现象较锥形瓶明显。

（3） 有效缩短实验时间。由于能持续通入空气，一般1分钟左右（100mL打气筒，打气20次左右）就能明显观察到澄清石灰水变浑浊的现象，与教材实验5～10分钟相比，实验时间有效缩短，节省了课堂教学时间，便于开展更多的教学活动。

4 实验注意事项

（1） 选用试管尽可能小，装入的石灰水尽可能少。笔者通过对不同规格的试管、不同体积的溶液进行对比实验后发现，利用规格为Φ12mm×70mm的试管、1mL澄清石灰水时，实验现象最为快速明显。

（2） 通入空气尽可能缓慢，以便于空气中的二氧化碳能与氢氧化钙充分反应。

（3） 选用新制的饱和澄清石灰水。实验过程中尽可能选用新制的饱和澄清石灰水，而且在配制时选择蒸馏水，不要使用自来水进行配制，以排除其他离子的干扰。

（4） 如有必要，设置对照组。为了便于观察，可以在通入空气之前选择两支试管分别倒入等量的澄清石灰水，一支试管通入空气，另一支作为空白。一段时间后与另一支进行对比，这样效果更为明显。

参考文献：

[1][6]朱清时主编. 义务教育课程标准实验教科书·科学（八年级下册）[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2014： 70～71.

[2]吴文中. 澄清石灰水与二氧化碳的作用机理和实验探究[J]. 化学教学， 2017，（8）： 50～54.

[3][7]伍强， 赵贤祥， 杜明桂. 澄清石灰水与二氧化碳气体反应的探究[J]. 化学教学， 2018，（4）： 75～77.

[4]许燕红， 张玉萍. 二氧化碳使澄清石灰水先浑浊后澄清的条件探究[J]. 化学教育， 2013，（8）： 68～69， 75.

[5]朱清时主编. 义务教育课程标准实验教科书·科学（八年级上册）[M]. 杭州： 浙江教育出版社， 2014： 28.