利用手持技术实验探究二氧化碳的性质

侯秀珠 曾新庭 张贤金

摘要：对人教版九年级《化学》上册“二氧化碳的溶解性实验”进行调研分析，发现已有的教材演示实验和文献中某些改进实验还存在不足，使学生难以充分认识二氧化碳的性质。利用手持技术对二氧化碳的性质以及实验问题进行实证探究，先处理并分析实验数据，再从定性和定量两个维度分析实验结果，得出相应的实验结论，并提出若干实验注意事项。

关键词： 手持技术实验; 二氧化碳性质; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2022）03-0070-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题提出

“二氧化碳的溶解性实验”是人教版九年级《化学》上册第六单元课题3中的一个演示实验，教师一般采用教材实验6-4[1]进行教学，即向一个集满CO2的软塑料瓶中加入约1/3体积的水，立即旋紧瓶盖，振荡后软塑料瓶变瘪来验证;李德前等[2]用一个盛满CO2的集气瓶加水盖上玻璃片振荡后倒立，玻璃片悬而不落来证明;张晓燕[3]用一支装满CO2的试管倒扣在水中，轻摇试管，发现试管内液面上升来印证。上述这三种方法各有所长，但都是定性的验证性实验，学生缺乏定量化感知。王荣桥[4]在常温常压下用一支100mL注射器，通过抽取50mL干燥的CO2，再迅速抽取40mL水后密封注射器口，反复振荡，发现剩余气体体积约为10mL，不但验证CO2能溶于水，还得出该状态下，1体积水约能溶解1体积的CO2，实现了CO2的溶解性验证实验由定性向定量的转变。可是，以上这些实验教学均存在不足： 都只注重实验结果，忽视过程的探索。“软塑料瓶变瘪”“玻璃片悬而不落”和“管内液面上升”，都只是间接反映CO2气体减少致压强变小的结果，这让学生无法直观感知该过程中压强量的变化。这些粗略的直接呈现结果的实验方法，让学生可能产生诸多疑问或认知障碍： CO2气体减少是否只与溶解性有关，是否还受温度变化的影响？实验操作为何需要振荡，振荡前后压强有何变化？另外，有教师用注射器向集满CO2的密闭软塑料瓶中注入约1/3体积的水（装置气密性良好），振荡后发现软塑料瓶不变瘪，却又无法准确解释此现象。这些都可能造成学生对CO2性质的错误认知。为此，笔者认为有必要让学生参与实验的探究过程，具体感知压强量的变化，了解CO2气体减少与自身性质有关，从而增进對CO2性质的理解。

2 手持技术实验案例研究

2.1 探究思路分析

手持技术实验案例研究包括实验主题、设计和价值三个维度。本研究主题——以手持技术实验探究CO2性质，从对照实验、自变量、传感器三个角度进行设计，建构实验探究模型;运用手持技术实验软件定量描绘出两组曲线，并实时采集实验数据以及筛选数据制作图表，通过分析得出实验结论，促进学生对CO2性质的认识。本案例试图探究以下内容（见表1），手持技术实验探究的基本模型见图1[5]。

2.2 实验仪器、试剂及装置

（1） 主要仪器： 电脑、数据采集器、压强传感器、温度传感器、pH传感器、100mL三颈烧瓶、100mL注射器、100mL量筒等;

（2） 试剂： 饱和碳酸钠溶液、1∶4稀硫酸、蒸馏水;

（3） 装置如图2、图3所示。

2.3 实验方案及参数设置

利用Lab Studio软件，将数据采集器的采样频率设置为1.1s，采样时间为3～5min。本实验需测定：

（1） 室温下，注入不同体积蒸馏水后，集满CO2的密闭三颈烧瓶内振荡前后压强和温度的变化。

（2） 室温下，通入不同体积CO2后，装有100mL体积蒸馏水的敞口三颈烧瓶内振荡前后pH和温度的变化。

2.4 实验原理

根据理想气体状态方程PV=nRT（R为常数）、H2O+CO2H2CO3（碳酸溶液pH小于7）以及常温常压下蒸馏水pH=7.0，结合传感器测量的实验数据进行分析。

2.5 实验步骤

实验1 （1）检查装置气密性后，用100mL规格的三颈烧瓶，利用排水法集满CO2（CO2在水中有少量溶解，但溶解很慢，且气体损失量不大，可用排水法收集），用注射器抽取一定体积的蒸馏水，按照图2连接好装置;（2）打开电脑数字化探究系统Lab Studio软件，仪器校准后设置实验参数，点击插入绘图按钮，再点击开始采集按钮;（3）打开止水夹，迅速把注射器中的蒸馏水全部注入三颈烧瓶后关闭止水夹;（4）待数据稳定后（1min），缓慢振荡反应容器（30s），待数据稳定后（1min），再次缓慢振荡反应容器（30s），直至数据稳定后停止采集。

实验2 （1）向100mL规格的三颈烧瓶（经测量，该三颈烧瓶容量约为188mL）注入100mL蒸馏水（

不超过三颈烧瓶容积的2/3，符合实验要求，

水面线见图3），用注射器收集一定体积的CO2气体，按照图3连接好装置;（2）见实验1步骤（2）;（3）打开止水夹，把注射器中的CO2全部缓缓地挤入蒸馏水中;（4）待数据稳定后（30s），缓慢振荡反应容器（30s），待数据稳定后停止采集。

3 实验数据的处理与分析

3.1 实验数据

按图2所示，实验1中三组学生所绘制的分别注入20mL、 40mL、 60mL蒸馏水前后气压和温度随时间变化的曲线图（见图4～图6）。

按图3所示，实验2中三组学生所绘制的分别通入20mL、 60mL、 100mL CO2后溶液pH和温度随时间变化的曲线图（见图7～图9）。

3.2 实验数据的处理

在Lab Studio软件中把形成图4、图5、图6的实验数据存储为Excel格式，并用Excel软件进行数学建模，绘制出压强随时间变化统计图（见图10）。同理，收集形成图7、图8、图9的实验数据，绘制出pH随时间变化统计图（见图11）。

从图4～图9看，在整个变化过程中，温度随时间变化不明显，故不作汇总整合处理。

从形成图10的数据中各筛选出特殊点（起点、拐点、终点），形成实验1中某个时刻气壓变化实验数据表（见表2），去除起始压强，形成气压随时间变化曲线图（见图12），并把三条压强变化曲线拟合成三个线性方程分别为y=-7.8x+154.4（对应60mL水）、y=-4.76x+134.92（对应40mL水）、y=-2.47x+117.45（对应20mL水），其中x表示时间（单位： s），y表示压强（单位： kPa）。

3.3 实验结果与分析

3.3.1 定性分析

（1） 分析图4～图9温度变化曲线，可知整个过程中无明显的热效应变化。

（2） 分析图10，当快速注入一定量水时，体系压强迅速上升，且依水体积的递增，压强明显递增，此时CO2体积不断减小，而n（CO2）不变（与初始n相等）。根据理想气体状态方程PV=nRT（R为常数）和实际测得体系温度T不变可得： n、 T不变时，V减小，则P变大，且V越小，则P越大，这与实际测量结果相符。注水完成后，气压出现拐点并开始缓慢变小（注： CO2是非极性分子，溶于水速率很慢，故气压减小非常缓慢），说明CO2气体开始在减少（忽略水蒸气的影响，此时CO2体积不变），从而推知有少量CO2开始溶解于水中。一段时间后，振荡，气压迅速变小，说明CO2的量也在迅速减少。可见，振荡操作可大幅度增加CO2与水的接触频率，从而增大CO2在水中的溶解速率。150～200s之间压强无明显变化，说明CO2溶解达到平衡。再次振荡，压强略减小，说明少量CO2又溶解了。250～300s之间压强保持不变，说明CO2溶解又达到了平衡。分析刚注完水与两次振荡时气压变小情况，根据公式PV=nRT（R为常数），V（CO2）与T不变时，P减小，则n（CO2）一定变小，从而推知CO2溶于水。同时，比较三条曲线的起点气压与相应的终点气压，发现终点气压始终大于初始气压（见图10或表2），说明注水造成CO2体积被挤压引起气压增大的程度大于CO2溶于水致压强减小的程度。有数据表明，25℃常压下100mL水可溶解75.9mL CO2，故注入20mL、 40mL、 60mL蒸馏水时，都无法完全吸除超过100mL CO2，故终点总压会大于初压。也正因如此，才出现“用注射器向集满CO2的密闭软塑料瓶中注入1/3体积的水，振荡后软塑料瓶不会瘪”的情况。

（3） 分析图11，起始pH接近或等于7（容器内装蒸馏水），当缓慢通入纯净的CO2时，pH立即明显减小（<7），说明有酸性物质生成，发生的反应是： H2O+CO2H2CO3。一段时间后，pH变化不大，说明CO2与水反应逐渐达到了平衡，同时发现，随着通入CO2量的递增，三条曲线中pH依次明显呈递减趋势，说明在一定量的水中，通入CO2量越多，反应越充分。接着振荡，pH减小，再次表明振荡增加了两者的接触频率，促进部分溶解在水中的CO2与水发生反应。紧接着，pH急回升，推知碳酸不稳定分解了，发生的反应是： H2CO3H2O+CO2↑。随后pH又不变，说明CO2与水反应生成碳酸和碳酸的分解又建立了新的平衡。

（4） 从图12中拟合的三个压强与时间的线性方程y=-7.8x+154.4（对应60mL水）、y=-4.76x+134.92（对应40mL水）、y=-2.47x+117.45（对应20mL水）分析，斜率的绝对值越大，CO2减少量也就越大，说明一定温度下，CO2气体溶解量的大小与压强大小有关。

3.3.2 定量分析

为验证本实验数据的准确性，以便能更合理、更科学地得出实验结论，下面从理论上作进一步定量分析印证。

（1） 根据公式PV=nRT，结合注水时体系内n（CO2）和T不变，可得：

P1（max）=P（初）V（初）V（初）-V（水）（1）

结合公式： 实验误差=实验值-理论值理论值×100%=P（max）-P1（max）P1（max）×100%（2）

其中V（水）和P1（max）分别表示注水体积与注水后最高点压强的理论计算值，V（初）=188mL（等于三颈烧瓶容量），把表2中三组初始气压数据分别代入（1）式求出P1（max），通过（2）式求得实验误差，并进行误差分析。现把计算与分析结果汇总于表3。

（2） 根据PV=nRT推出：

n（初）=P（初）V（初）RT（3）

由于CO2溶于水速率很慢，故可忽略注水瞬间CO2可能溶于水而引起其物质的量减少情况，故P（max）所对应的n（CO2）与n（初）是相等的。根据PV=nRT，结合注水后V（CO2）、T不变，可推出：

n（终）=P（终）n（初）P（max）

（4）

n（溶）=n（初）-n（终）（5）

其中n（溶）表示整个过程中溶解的CO2物质的量。

已知初始温度约为25℃（即T=298K），V（初）=188mL，R=8.314Pa·m3/（mol·K）。把表2中相关数据代入（3）和（4）式进行计算，再把计算结果代入（5）式，求出n1（溶）=6.30×10-4mol，n2（溶）=1.02×10-3mol，n3（溶）=1.51×10-3mol，可见n（溶）>0，说明CO2能溶于水。统一换算成100mL水，得出25℃时106.4kPa、 113.3kPa和117.8kPa三种状态下CO2的溶解度分别是0.1386g、 0.1122g和0.1107g。从表3实验误差结果分析可知，第（1）组偏大、第（3）组偏小，以第（2）组最佳。故推测，在25℃时106.4kPa状态下CO2的溶解度应比113.3kPa状态下溶解度0.1122g要小，而117.8kPa状态下其溶解度应比113.3kPa状态下溶解度0.1122g要大。这说明了压强越大，CO2气体的溶解度也就越大。再统一换算成101.3kPa（常压），可得出三组实验中CO2的溶解度计算值分别是0.1320g、 0.1003g和0.0952g，则三组溶解度计算平均值为0.1092g。通过查表，25℃常压下CO2的溶解度为0.1449g（理论值），可求出本实验误差为24.63%，则准确率为75.37%。分析原因，主要可能是由于实验时间太短了（只有5min），CO2没有最大限度地溶解在水中（CO2溶解很慢）。若延长实验时间，可能CO2的溶解度实验计算值会更接近于理论值的（有待进一步研究）。

3.4 实验结论

综合以上分析得出以下结论：

（1） 用注射器向集满CO2的密閉容器中注水，容器内的压强先变大后变小，且振荡会加速压强变小;此过程CO2不但会溶于水，而且还会与水发生反应，二者共同作用致体系压强减小，但压强减小的程度始终都小于注水引起气压增大的程度。该变化过程中，热量变化不明显。

（2） 本实验环境条件下测出25℃、 101.3kPa时100mL水中约能溶解0.1092g CO2，且随着压强的增大，CO2的溶解度也会增大。

（3） 振荡不但促进CO2的溶解，还促进部分溶解的CO2与水充分反应。同时，CO2与水反应生成碳酸和碳酸分解建立了平衡关系。

（4） 实验结果以数据、图表形式呈现，各组数据相互匹配，相互印证，经过定性与定量分析，说明实验结果具有一定的说服力[6]。

3.5 实验注意事项及说明

（1） 由于CO2在水中虽有少量溶解，但溶解很慢，且气体损失不大，故实验1中可用排水法收集CO2，既能得到较纯净的CO2，又能使气体温度与注水时水温接近，减小实验误差。

（2） 实验中用饱和碳酸钠溶液和稀硫酸反应制取CO2，方便注射器收集到较纯净的CO2（除H2O外），避免因用盐酸造成CO2中含有HCl而影响实验2中pH的测定。

（3） 实验中用蒸馏水不用自来水，减少自来水中含有的杂质对实验造成干扰。

（4） 实验中振荡时注意手不要碰到容器壁，以免手的温度造成实验误差。

（5） 通过多次实验得出多组数据，便于进行多组数据对比，让实验结果更准确、更严谨、更科学。

4 实践价值

4.1 有效促进学生的深度学习

参与实验的学生反馈，他们“看到”了CO2溶于水以及与水反应的细微变化本质，通过变化过程“可视化”加深了对该性质的理解。笔者顺势引导学生利用手持技术来探究CO2的其他性质： 按图2所示，向集满CO2的密闭的三颈烧瓶中分别注入50mL水、50mL饱和氢氧化钙溶液和50mL质量分数为40%的氢氧化钠溶液，所得实验数据汇总整合，绘制出压强随时间变化的统计图（见图13）。

根据上述实验结论，结合图13识别与推理发现： CO2既能与水、氢氧化钙溶液反应（有白色浑浊），还能与氢氧化钠溶液反应，且较浓的氢氧化钠溶液对CO2的吸收效果优于水和氢氧化钙溶液，这就不难理解在实验室中，要成功“捕捉CO2”选择氢氧化钠浓溶液和“鉴定CO2”选用氢氧化钙溶液的道理。手持技术实验得到的曲线和数据，扫除了学生的理解障碍，加深了对物质微观变化的认识，从而促进了深度学习。

4.2 有效增进教师对学科知识的理解

本案例实践不仅为教师备课、教学提供了参考，还让化学实验教学更加多样化。通过本实验得到的结论： 用注射器向集满CO2的密闭容器中注水引起气压增大的程度大于CO2溶于水、与水反应致压强减小的程度，解除了多年来教师无法准确解释“用注射器向集满CO2的密闭软塑料瓶中注水振荡后出现软塑料瓶不变瘪”的困惑，加深了对化学学科知识的理解。

参考文献：

[1]王晶，郑长龙. 义务教育教科书·化学（九年级上册）[M]. 北京： 人民教育出版社，2012： 117～118.

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[3]张晓燕. 初三化学“二氧化碳性质”公开课的实验设计[J]. 化学教学，2015，（9）： 57～58.

[4]王荣桥. “基于定量实验促进学生深度学习二氧化碳的性质”[J]. 中学化学教学参考，2020，（4）： 29～30.

[5]江世忠，谭显华，邓峰，等. 利用手持技术探究甲烷的温室效应[J]. 化学教育，2006，（12）： 40～41.

[6]张磊，王璇，孙美华. 基于传感器检测探究盐酸与碳酸钠溶液的反应[J]. 化学教学，2021，（6）： 74～77.