“二氧化碳溶于水、与水反应”数字化实验设计

倪志凤 周文荣

摘要：通过对二氧化碳溶于水、与水反应实验改进及有关二氧化碳的数字化实验的现状调研，明确了实验设计的发展空间，介绍了“二氧化碳溶于水、与水反应”的两种数字化实验设计，在此基础上，从整合设计、可靠证据、技术应用三个维度剖析了实验设计的优点，旨在拓展一种实验改进的方式与视角。

关键词：数字化实验;二氧化碳溶于水;二氧化碳与水反应

文章编号：1008-0546（ 2019） 09-0082-03

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.09.026

“二氧化碳溶于水、与水反应”是初中化学中二氧化碳的重要性质，同时学生对于“二氧化碳与水混合后体积减少是因为溶于水，还是与水反应，还是两者兼有”存在着认知困惑。笔者借助传感器设计“二氧化碳溶于水、与水反应”的数字化实验，以期加深对二氧化碳性质的理解与认知。

一、二氧化碳溶于水、与水反应的实验改进及有关二氧化碳的数字化实验文献调研

1.有关二氧化碳溶于水、与水反应的实验改进

一线教师立足压强的变化、颜色的变化，通过对装置的改进，从定性、定量、对照等视角对二氧化碳溶于水、与水反应的实验进行了深入的研究。常见的改进实验见表l。

2.有关二氧化碳的数字化实验设计

随着科学技术的发展，数字化实验逐渐进入初中课堂，一线教师关于二氧化碳常见的数字化实验设计见表2。

3.-氧化碳溶于水、与水反应实验设计的发展空间

从上述实验设计中可以看出，老师们对二氧化碳溶于水、与水反应及关于二氧化碳的数字化实验作了深入而又细致的研究，为后续的研究开阔了视野，拓展了思路。但利用传感器设计“二氧化碳溶于水、与水反应”的数字化实验涉及不多，同时已有的实验改进还不能真正帮助学生理解二氧化碳通入水中后，水中溶有二氧化碳，给进一步研究留下了发展的空间。

二、二氧化碳溶于水、与水反应的数字化实验设计

数字化实验由传感器、数据采集器、电脑及相关软件构成，实验结果以数字、曲线等形式呈现。

1.实验设计一

（1）实验仪器和实验药品

实验仪器：气体压强传感器、数据采集器、电脑、三颈烧瓶、注射器、广口瓶、长颈漏斗、橡胶管、导管、橡皮塞。

实验药品：水、紫色石蕊试液、石灰石、稀盐酸。

（2）实验装置（见图1）

（3）操作要点

①检查装置气密性;

②在三颈烧瓶中收集二氧化碳气体，按图l连接好装置，设置好采集频率、采集时间;

③点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮，将注射器中的水注入三颈烧瓶中，观察电脑屏幕上的曲线变化;

④（分析完曲线后）把装水的注射器和压强传感器取走，换上橡皮塞，将注射器中的紫色石蕊试液注入三颈烧瓶，观察现象。

（4）实验现象和分析

注入水以后的实验现象如图2所示，将注射器中的水注入三颈烧瓶时，气体被压缩，压强变大，曲线上升，随着二氧化碳溶于水，三颈烧瓶中气体的物质的量减少，压强变小，曲线下降。紫色石蕊试液注入三颈烧瓶后可以观察到溶液变为红色，说明二氧化碳与水反应。

（5）实验设计的拓展

本实验还可进一步拓展到二氧化碳减少的视角进行设计，但目前中学实验室使用的各种品牌的气中二氧化碳传感器量程最大为lOOOOOppm，所以二氧化碳浓度大于lOOOOOppm时不一定能看到明显现象。随着对气中二氧化碳传感器的研发，量程扩大后可利用四颈烧瓶设计如图3所示实验装置。

2 .实验设计二

（1）实验仪器和实验药品

实验仪器：pH传感器、溶解二氧化碳传感器、数据采集器、电脑、烧杯、广口瓶、长颈漏斗、橡胶管、导管、橡皮塞。

实验药品：水、石灰石、稀盐酸。

（2）实验装置（见图4）

（3）操作要点

①检查装置气密性;

②按图4连接好装置，往烧杯中倒入lOOmL水，广口瓶中加入石灰石，设置好采集频率、采集时间;

③从长颈漏斗中注入稀盐酸，点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮，观察电脑屏幕上的曲线变化。

（4）实验现象和分析

实验现象如图5所示，随着二氧化碳的通入，水中溶解的二氧化碳浓度逐渐增大，溶液的pH逐渐减小。由此可见二氧化碳既溶于水又与水反应。因为二氧化碳气体中会带出少量氯化氢气体，故最后pH比正常情况略小，同时氯化氢溶于水后抑制了二氧化碳在水中的溶解，故最后溶解的二氧化碳也比正常情况略少。

3.实验设计的优点

（1）基于整合设计

两个实验设计注重多个实验的整合，将二氧化碳溶于水、与水反应、碳酸的不稳定性进行了有效的衔接设计或整合，减少了多次实验操作的重复环节，同时合理利用了药品，节约了资源。

（2）基于可靠证据

基于证据进行推理，首先要获得能形成科学结论的可靠证据。二氧化碳溶于水很多改进实验都是通过体系内压强减小后引发的现象来证明的，这一间接证据并不可靠，它只能说明二氧化碳减少了，可能是溶于水减少，也可能是由于反应而减少。用溶解二氧化碳传感器直接测定水中二氧化碳浓度的变化，可以让学生很直观地感知到水中二氧化碳的存在，这是可靠的直接证据，从而可以有效地解决学生的认知困惑。

（3）基于技术应用

创新实践是中国学生发展六大核心素养之一，创新实践素养提出了“技术应用”。数字化实验是技术在化学学习中的一种应用，既传承了传统实验的优势.又为“二氧化碳溶于水、与水反应”这些无明显现象的反应“可视化”提供了一种途径，也为传统实验仪器无法完成的定量实验拓展了一种方式，为实验手段在传统与现代、定性与定量、静态与动态之间架起了桥梁。

参考文献

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