科学教材中二氧化碳系列实验的微型改进

黄婉纯, 郑子山, 林 珩

（闽南师范大学化学与环境学院，福建漳州363000）

二氧化碳的制备与性质实验在《科学》教材占有重要地位，在苏教版《科学》四年级上册和浙教版《科学》八年级下册均有涉及.以下对二氧化碳系列实验在小学与初中《科学》教材中的具体内容进行梳理，见表1.

从表1 中可知，苏教版小学《科学》和浙教版初中《科学》中的二氧化碳实验活动有很多相似之处，其中苏教版小学《科学》中二氧化碳的制备实验装置无法控制反应物的加入量，达不到控制实验反应速率的目的.此外，两个版本的实验同时存有以下的不足点：

1) 二氧化碳性质实验一一分开操作，不能连续完整地表现二氧化碳的性质，势必造成实验耗时过长，知识点零碎，不利于学生系统掌握；

2) 所需仪器复杂且药品使用量大，实验需要多次制备或准备多份二氧化碳，操作繁琐；

3) 用烧杯向阶梯蜡烛倾入二氧化碳的实验成功率不高.第一，可能由于倾倒烧杯的速度过快，两支蜡烛同时熄灭或熄灭前后顺序不明显；第二，由于烧杯内两支蜡烛燃烧时间较长造成杯内温度较高，倒入的二氧化碳会受热膨胀上升，使得二氧化碳没来得及下沉就被冲散开，最后上方蜡烛先于下方蜡烛熄灭，与“二氧化碳比空气重，下方蜡烛先熄灭，上方蜡烛后熄灭”的结论相悖，造成思维混乱；第三，用铁丝做成阶梯状放置两支蜡烛，会造成下方蜡烛与上方蜡烛与二氧化碳的倾倒位置距离不相等，学生会误以为下方蜡烛先熄灭是因为距离二氧化碳近，先接触二氧化碳，而不是因为二氧化碳比空气重，沉到底部与其接触.

针对以上不足，有必要立足于中小学生的年龄特点和对知识的认知顺序对教材中二氧化碳的制备和性质实验进行一体化微型改进.

1 实验微型一体化改进的研究现状

赵东洋[1]对二氧化碳系列实验进行微型化一体设计，其优点是控制了反应的启停，运用了微型仪器和实现了制备与性质一体化，节约了试剂，减少了污染，缩短了实验操作时间，提高了课堂效率.但存在不足的地方是实验缺少对二氧化碳不支持燃烧，比空气重的性质实验进行设计，并且实验所用的仪器较复杂，如实验所用的T 型管、微型气体实验器、微型集气瓶等并非常见仪器.

廖小红[2]对二氧化碳制备与性质实验进行一体化微型实验设计，其优点也是把二氧化碳的制备与性质实验连为一体，运用了微型实验仪器，能控制二氧化碳的产生速率，但也缺少对二氧化碳不支持燃烧，比空气重的性质实验的设计，没能完整体现出教材中二氧化碳的所有性质实验.

谢丹敏[3]设计了二氧化碳制取与系列性质的实验装置，虽然实验装置具有较高的严谨性，能完整体现教材上对二氧化碳的内容要求，但使用的仪器较多，不够简约，势必造成操作繁琐.

张泽志[4]尝试对二氧化碳性质实验进行创新和微型化改进，虽然达到微型一体化的效果且能完整地体现教材中二氧化碳的所有性质实验，但缺点是反应装置比较复杂、所用仪器数量多、操作过程不够简便.

以上实验装置都具有微型一体化的优势，但实验步骤不够简化、仪器不够简约、不能简单完整地串联教材上二氧化碳的知识点.

2 《科学》教材中二氧化碳实验的微型化改进

2.1 实验用品

1）药品：小苏打、醋精、澄清石灰水、蒸馏水、蓝色石蕊试纸.

2）仪器：湛江师范学院开发的中学化学微型实验仪器（操作台、主铁夹、多用滴管、具支试管、橡胶塞、直角形侧泡反应管、直角形通气管）、5 mL 烧杯、2 mL 注射器、生日蜡烛、橡胶管、火柴、镊子.

2.2 苏教版《科学》中的二氧化碳实验的改进

2.2.1 改进后的实验装置图

改进后的实验装置，省略操作台、支柱和主铁夹，见图1.

2.2.2 实验步骤及其现象

1）由于该实验装置的组装搭建对于小学生来说存在一定难度，因此科学教师需在课前为每小组的学生事先组装好一整套改进后的实验装置.具体操作是在具支试管中加入少量小苏打， 用多用滴管吸入一半体积的醋精，用微型注射器吸入澄清石灰水.在橡胶塞上钻好两个洞口，分别插上多用滴管和微型注射器， 塞在具支试管上端口处.在5 mL 的烧杯中用蜡油固定好高低不等的两支生日蜡烛.按照图1 苏教版《科学》中的二氧化碳实验改进装置图组装仪器.

2）学生用另一支燃烧的蜡烛将烧杯中高低不等的两支蜡烛引燃，再立即将多用滴管中的醋精缓慢注入具支试管中，观察醋精与小苏打发生反应.可以观察到具支试管中有大量气泡产生，证明醋精与小苏打反应有二氧化碳气体生成.并且低的蜡烛熄灭，高的蜡烛后熄灭，验证了二氧化碳不支持燃烧、密度比空气重的性质.

3）待阶梯蜡烛熄灭后，学生将盛有澄清石灰水的注射器的活塞往外拉，吸入具支试管中残留的二氧化碳，可以观察到注射器中的澄清石灰水立即变浑浊的明显现象，以此证明二氧化碳能与澄清石灰水反应.

2.3 浙教版《科学》教材中二氧化碳实验的微型化改进

2.3.1 改进后的实验装置图

改进后的实验装置，省略操作台、支柱和主铁夹，见图2.

图2 浙教版二氧化碳系列实验改进装置Fig.2 Carbon dioxide series experiment improvement device of zhejiang education edition

2.3.2 实验步骤及其现象

1）在具支试管中加入少量小苏打，用多用滴管吸入一半体积的醋精，2mL 微型注射器吸入1mL 澄清石灰水.用镊子夹取一片干燥的蓝色石蕊试纸放在直角形侧泡反应管的侧泡3 处， 并用注射器向其注入少量蒸馏水， 使干燥的试纸变湿润.再用镊子夹取另外一片干燥的蓝色石蕊试纸放在直角形侧泡反应管的侧泡2 处（侧泡1 处作为缓冲区，用于预防稀醋精和蒸馏水涌入干燥的蓝色石蕊试纸），用作对比实验.

2）按图2 浙教版《科学》教材中的二氧化碳实验改进装置图组装实验仪器.

3）用另一支燃烧的蜡烛将高低不等的两支蜡烛引燃，将立即多用滴管中的醋精缓慢注入具支试管中，与小苏打发生反应.可以观察到以下现象并得到相应的结论:a)具支试管中有大量气泡产生，证明醋精与小苏打反应有二氧化碳气体生成；b)侧泡2 处和侧泡3 处的蓝色石磊试纸有不同现象，侧泡2 处的干燥试纸没有明显变化，侧泡3 处湿润试纸变红，证明了二氧化碳与水反应生成碳酸；c)高低两支蜡烛火焰熄灭，并且低的蜡烛先于高的蜡烛熄灭，验证了二氧化碳不支持燃烧，密度比空气重的性质.

4）点燃酒精灯加热直角形侧泡反应管侧泡3 处变红的石蕊试纸，可以观察到变红的石蕊试纸恢复为蓝色，证明生成的碳酸具有不稳定，容易分解的性质.

5）待阶梯蜡烛熄灭后，将盛有澄清石灰水的注射器的活塞往外拉，吸入具支试管中残留的二氧化碳气体，可以观察到注射器内的澄清石灰水立即变浑浊的明显想象，证明二氧化碳与澄清石灰水反应有碳酸钙沉淀产生.

2.4 实验注意事项

两组微型改进实验具有共同的实验注意事项如下：

1）用多用滴管注射醋精时，要缓慢注入，确保最终醋精的加入量接近具支试管的支管口处即可，防止由于反应过于剧烈，大量气泡产生，造成加入的醋精从支管口处溢出，影响实验效果.

2）用蜡油固定不同高度的蜡烛时，要紧贴烧杯的另一侧，确保两支蜡烛的位置与烧杯另一侧直角形通气管的距离相等，排除无关变量的干扰.

3）设置高低不等的蜡烛时，要确保蜡烛的最高高度低于烧杯口，同时直角形通气管出气口要低于烧杯口且高于或与高处蜡烛平行.

3 改进后的优点

3.1 实验仪器微型化体现绿色化学的理念

相比较传统实验，改进后的两组实验都采用了中学化学微型实验仪器，利用了微型仪器简单便携的特点，能大大节省药品用量，减少二氧化碳的排放量，符合绿色化学的理念，且安全系数高，不仅适合中学生在课堂实践，也适合具备初步实验操作技能的四年级小学生自己亲手操作，有助于对中小学生进行创新精神和环境保护教育.

3.2 制备与性质实验一体化，有效整合提高实验效率

图1 的实验装置对苏教版《科学》教材上的三个实验进行有效整合，将二氧化碳制备与性质实验连为一体，在较短的时间内，可以制得二氧化碳并看到二氧化碳使高低不等的蜡烛先后熄灭，使澄清石灰水变浑浊，仪器简单轻便，实验现象明显.图2 的实验装置是在图1 实验装置的基础上增加了直角形侧泡反应管、酒精灯，对浙教版《科学》教材上的四个实验进行有效整合.两套改进装置简化了实验仪器和步骤，提高了实验效率和教学效果.

3.3 原料生活化

由于课本中稀盐酸与石灰石反应缓慢，对实验原料进行改进，采用了比白醋浓度高的醋精和小苏打作为实验原料，原料生活化，安全性能高，可以取得更佳的实验效果.

3.4 排除实验无关变量的干扰

改进后的实验用直角形通气管靠着烧杯壁进行熄灭高低不等蜡烛实验，可以更好地让二氧化碳顺着烧杯壁流入烧杯底部，保证能达到正确的蜡烛熄灭先后顺序.用蜡油固定高低不等的两支蜡烛，会比制作铁丝阶梯更为简便，同时两支蜡烛的位置与直角形通气管距离相等，能更好地排除实验无关变量的干扰.