“二氧化碳的实验室制取与性质”实验的运用及改进案例分析

项鑫

在初中化学教学实践中，实验教学是备受关注的内容，一方面是因为实验可以将抽象的理论内容具象化，从而让学生对所学内容有更深刻的理解，另一方面是通过实验可以让学生对化学学习需要具备的思维有所了解。二氧化碳的实验制取是初中化学实验教学中的基础实验之一，明确此实验的具体过程并对实验的运用进行研究，同时思考实验开展的具体改进措施，对于进一步提升教学实效性有显著价值。

一、“二氧化碳的实验室制取与性质”实验

（一）实验原理与目的

本实验旨在让学生掌握二氧化碳的实验室制取与性质的实验方法，了解二氧化碳的化学性质和物理性质；亲自动手操作实验过程，观察实验现象，理解实验原理，培养他们的实验技能和科学探究精神。

（二）实验材料与设备

试管、烧杯、塑料膜、橡皮筋、温度计、蜡烛、二氧化碳发生装置、pH试纸等。

（三）实验步骤与操作

1.准备实验材料与设备：（1）将石灰石放入试管中，加入稀盐酸，观察反应过程。（2）用塑料膜包裹试管口，用橡皮筋固定，将温度计插入试管口附近。（3）将试管放入装有水的烧杯中，用蜡烛燃烧产生的热量加热试管，记录温度变化。（4）将二氧化碳通入燒杯的水中，观察pH试纸的变化。（5）整理实验器材，清理实验现场。

2.实验操作：（1）将石灰石放入试管中，加入稀盐酸，观察反应过程。石灰石与稀盐酸反应产生二氧化碳气体，此时会看到石灰石表面产生大量气泡并产生剧烈反应。反应结束后，用排水法收集产生的气体。（2）用塑料膜包裹试管口，用橡皮筋固定，将温度计插入试管口附近。这样做是为了防止气体泄漏，同时监测反应过程中的温度变化。（3）将试管放入装有水的烧杯中，用蜡烛燃烧产生的热量加热试管，记录温度变化。加热过程中，注意调整蜡烛的位置和火焰大小，保持试管内的液体均匀受热。同时注意观察温度计的变化，记录下反应过程中的温度数据。（4）将二氧化碳通入烧杯的水中，观察pH试纸的变化，并记录下pH。（5）整理实验器材，清理实验现场。在完成实验后，需要将使用过的器材和设备进行整理和清洁，以便下次使用。同时要清理实验现场，确保实验室的整洁和卫生。

（四）实验结果与讨论

通过实验操作，我们可以观察到以下实验结果：（1）石灰石与稀盐酸反应产生大量气泡并产生剧烈反应，说明该反应能产生大量二氧化碳气体。（2）用塑料膜包裹试管口并固定后，能有效防止气体泄漏。在加热过程中监测到温度变化范围较小，说明反应过程中产生的气体种类较为单一。（3）将试管放入装有水的烧杯中并用蜡烛加热后，记录到的温度数据表明该反应为放热反应。（4）将二氧化碳通入烧杯的水中后，观察到pH试纸的颜色发生变化，说明二氧化碳溶于水后会使溶液呈酸性。

根据以上实验结果，我们可以进行如下讨论：在制取二氧化碳的过程中，稀盐酸与石灰石反应产生的气体为二氧化碳。由于稀盐酸具有较强的挥发性，因此在收集气体时需要注意防止气体泄漏。此外，由于该反应为放热反应，因此在加热过程中需要注意控制温度变化范围，避免因温度过高导致试管破裂或气体爆炸等问题的发生。

二、“二氧化碳的实验室制取与性质”实验的运用

“二氧化碳的实验室制取与性质”实验的运用需要强调两点：

1.需要关注实验室制备。实验室制备二氧化碳通常采用盐酸盐和石灰石反应，反应方程式为：CaCO3+2HCl== CaCl2+H2O+CO2↑

就具体的实验操作来看，步骤为：（1）将石灰石粉碎成粉末状，放入试管中。（2）向试管中加入适量的稀盐酸，将试管固定在铁架台上。（3）用排水法收集产生的气体，将收集的气体通过导管排出。（4）将收集到的气体通入澄清的石灰水中，观察石灰水的变化。如果石灰水变浑浊，说明产生了二氧化碳气体。

2.对实验运用进行分析。为了保证实验的效果，需要明确注意事项，具体为：（1）在实验过程中穿戴实验服和护目镜等防护用品。（2）在加入试剂时，要按照试剂的用量和顺序进行添加，以免影响实验结果。（3）在收集气体时，要注意气体的排出方向，避免发生气体排出过快或产生爆炸等危险情况。（4）在将气体通入澄清石灰水时，要保证气体的流量和时间足够，以便观察到明显的实验现象。（5）在实验结束后，要将试管和实验器材清洗干净，以便下次使用。同时要清理实验现场，保持实验室的整洁和卫生。

三、“二氧化碳的实验室制取与性质”实验的改进案例

（一）改进实验原理

第一是反应原理改进。传统的二氧化碳实验室制取方法主要基于盐酸的反应原理。然而，这种方法存在一些问题，如反应速度较慢、收集难度较大等。为了解决这些问题，我们可以采用以下方法改进：（1）使用碳酸钙和稀盐酸作为反应物：将碳酸钙和稀盐酸加入同一反应容器中，搅拌均匀后加热，这样可以加快反应速度并提高产气效率。同时，由于产生的二氧化碳气体压力较大，可以更容易将其收集到集气瓶中。（2）使用石灰石和稀盐酸作为反应物：将石灰石粉碎成粉末状，与稀盐酸混合搅拌均匀后加热。这种方法可以产生大量的二氧化碳气体，并且由于反应温度较高，可以缩短反应时间。

第二是气体收集改进。在收集二氧化碳气体时，传统的方法是使用向上排空气法。但是这种方法比较麻烦，并且容易混入空气中的杂质。为了解决这个问题，我们可以使用双导管集气瓶：将导气管插入双导管集气瓶的左侧，让产生的二氧化碳气体通过左侧导管进入集气瓶中。同时，将右侧导管连接到水槽中，让水通过右侧导管进入集气瓶中，以保持集气瓶内外压力的平衡。这样就可以收集到纯净的二氧化碳气体。

第三是性质实验改进。二氧化碳的性质实验中主要包括二氧化碳不支持燃烧、能使澄清石灰水变浑浊、与水反应生成碳酸等。为了更好地展示这些性质，我们可以采用以下改进方法：（1）采用数字化传感器，以更准确地测量二氧化碳的浓度、温度等参数。例如，在验证二氧化碳不支持燃烧的性质时，可以通过数字化传感器测量燃烧物周围的二氧化碳浓度，以更准确地判断其是否能够支持燃烧。（2）增加对比实验。例如，在验证二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊的性质时，可以同时进行空白实验和对比实验，以更直观地观察变化情况。

（二）实验装置改进

为了提高“二氧化碳实验室制取与性质”实验的效率和安全性，我们需要对实验装置进行改进。（1）装置封闭性改进。传统的实验装置往往存在封闭性不好的问题，容易导致气体泄漏。为了解决这个问题，我们可以采用以下措施：首先，使用密封性能更好的橡胶塞或硅胶塞来封闭反应容器。其次，在连接管道处使用密封圈和紧固件，确保管道连接处不漏气。最后，在气体收集过程中，使用水封法或排空气法等方法避免气体泄漏。（2）安全性提升改进。首先，在实验过程中使用通风设施来避免室内二氧化碳浓度过高导致空气污染。其次，在进行危险性较高的实验操作时，如加热反应物等，应在专业人员的指导下进行或者运用自动化设备进行操作。最后，在使用酸碱等危险品时，应佩戴防护眼镜、手套等防护用品，并按照安全规范进行操作。（3）操作简便性改进。为了提高实验操作的简便性，我们可以在装置利用方面采取如下工作：①使用数字化传感器来测量反应过程中的温度、压力等参数，减少手动测量的操作烦琐性。②采用自动控制系统来控制反应过程中的温度、压力等参数，提高实验的自动化程度。③采用试剂盒、试纸等简便的检测方法来检验气体的性质，减少手动操作的步骤。

（三）实验步骤改进

为了提高实验效率、减少误差，我们对实验步骤进行了改进：

1.实验准备：选择合适的反应物，如石灰石与稀盐酸，并准备相应的实验装置。

2.装置搭建：按照改进后的实验装置图搭建实验设备，确保装置的气密性良好。

3.反应条件优化：将反应物的温度、压力等参数控制在最佳范围内，以提高反应速度和产气效率。（1）控制反应物的浓度和比例，如增加稀盐酸的浓度可以提高反应速度。（2）控制反应温度和压力，如升高温度可以加快反应速度，增加压力可以增加产气效率。（3）加入适当的催化剂，如金属氧化物可以显著提高反应速度。（4）控制反应时间，适当延长反应时间可以提高产气效率。

4.产物收集与纯度提升：采用排水法收集二氧化碳气体，并通过化学反应将杂质气体去除，以提高产物纯度。具体的执行方法：（1）采用排水法收集二氧化碳气体，避免传统向上排空气法中混入空气中的杂质。（2）在收集装置中加入一个洗气瓶，通过化学反应将杂质气体去除，如用氢氧化钠溶液吸收酸性气体杂质。（3）在性质实验中采用试剂盒、试纸等简便的检测方法来检验气体的性质，减少手动操作的步骤和误差。（4）对每个批次产物的纯度进行严格检测和把控，确保实验结果的准确性。

5.环境保护措施：合理处理实验废弃物，减少对环境的污染。

6.实验数据分析：采用数字化传感器测量反应过程中的温度、压力等参数，并记录实验数据，进行数据分析。

（四）实验产物性质研究改进

1.产物性质的理论研究：在实验开始前，通过理论分析研究二氧化碳的性質，包括物理性质（如密度、溶解度等）和化学性质（如与水的反应、与碱的反应等），为实验过程中的现象解释和后续的实验改进提供理论基础。

2.产物收集和纯度检验的改进：二氧化碳气体收集和纯度检验环节，可以尝试采用不同的方法来提高产物纯度和收集效率，如可以通过改变导管的结构、增加气体干燥剂的使用、优化收集容器等手段来实现。

3.反应条件控制的精细化：在反应条件控制方面，可以尝试进一步精细化控制反应温度、压力、反应物浓度等参数，以探究不同反应条件对二氧化碳性质的影响。例如，通过对比不同浓度的酸与不同种类的盐反应，观察产物的差异，进而深入了解反应机理。

4.实验数据分析的深入化：分析实验数据时可以利用先进的仪器和软件，如质谱仪、红外光谱仪等，对二氧化碳的性质进行深入的研究。例如，可以通过测量二氧化碳的红外光谱来研究其分子结构和化学键等信息。

5.环保和安全性的考虑：实验过程中，应尽量避免对环境的污染和实验安全事故的发生。例如，可以选择使用环保型的实验材料，如非挥发性的酸和盐。同时，在实验过程中要规范操作，避免因误操作导致的安全事故。

6.实验设备的升级换代：随着科技的发展，一些新的实验设备不断涌现。例如，数字化实验室、自动化实验室等新型实验室设施可以为实验提供更好的环境和条件。升级换代实验设备，可以提高实验效率、精确度和安全性。

7.综合多个学科知识：“二氧化碳的实验室制取与性质”实验涉及多个学科领域的知识，如化学、物理、生物学等。对这些学科知识的综合运用，可以让学生更全面地了解二氧化碳的性质及其变化过程，为实验改进提供更多思路和方法。

综上所述，在初中化学教学实践中，针对“二氧化碳的实验室制取与性质”实验，学生需要认真操作实验，观察实验现象并记录且分析数据。同时，教师要引导学生思考以下问题：如何通过控制稀盐酸的滴入速度来控制反应速率？为什么二氧化碳不能燃烧，也不支持燃烧？生活中有哪些实际应用场景与二氧化碳的性质有关？教师通过实验和思考，培养学生的实践能力和创新思维。

（作者单位：厦门五缘实验学校）

编辑：常超波