二氧化碳性质实验装置改进及教学实践

周密 张丹

摘要： 对原教材中二氧化碳与水反应实验装置及药品进行简化、整合、改进和创新，改进后的实验装置克服了传统实验装置的不足，具有结构简单、操作简便、环保、实验现象对比明显、实验可分步操作且可暂停等特点。实验所用二氧化碳及紫色石蕊溶液可重复利用，实验现象能反复呈现。有助于学生提高对教材常规传统实验的认知，激发学生的批判能力和创新意识。

关键词： 二氧化碳； 演示实验； 实验装置； 实验探究

文章编号： 10056629（2023）05006003

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

《义务教育化学课程标准（2022年版）》明确指出：教师在教学中应积极创造条件，开足、开好必做实验和跨学科实践活动，倡导“做中学”“用中学”“创中学”，充分发挥必做实验和跨学科实践活动的教学功能及育人价值。在完成必做实验的基础上，努力创造条件，为学生提供更多的动手实验机会［1］。因此，教师在教学过程中应善于整合和改进，使学生在原有认知的基础上进行适当延伸，帮助学生理解知识，提升学习能力。“二氧化碳的化学性质实验”是现行初中化学人教版教材中的一个重要的学生必做实验，该实验旨在证明二氧化碳能溶于水，且能与水反应生成碳酸，同时碳酸不稳定，易分解等。教师在教学过程中可在原有课本实验的基础上，对仪器装置进行整合和改进，帮助学生打破固定思维模式与传统认知，使学生在原有认知的基础上能进行适当延伸，进一步增强对知识点的理解，提升学习能力。

对比不同版本教材中的该实验，发现均有所长也有不足。为使实验操作更简单，实验现象对比更明显，实验试剂耗材更节约，以及培养学生的绿色化学与创新意识，笔者设计了一套一体化实验装置，用于二氧化碳化学性质实验教学。

2 实验方案

2.1 主要实验仪器和用品

实验仪器：一体化二氧化碳化学性质实验装置、酒精灯

实验用品：紫色石蕊溶液、二氧化碳气体、植物油

2.2 实验原理

（1） CO2密度比空气大；

（2） CO2+H2OH2CO3；

（3） H2CO3H2O+CO2↑；

（4） 酸性溶液能使紫色石蕊溶液变红。

2.3 实验装置

一体化二氧化碳化学性质实验装置结构从上到下分别为：1.螺纹瓶盖（直径2厘米）； 2.二氧化碳气体收集腔体（直径10厘米）； 3.油液储存腔体； 4.气球（接口处直径1.5厘米）； 5.紫色石蕊溶液储存腔体（直径6厘米）； 6.三角架； 7.石棉网； 8.酒精灯。装置示意图如图1所示。

2.4 实验操作步骤

（1） 检查装置气密性。打开螺纹瓶盖，往装置中小心地通入适量气体，待气球充盈后，拧紧螺纹瓶盖，一段时间后，若气球大小不变，则说明装置不漏气。

（2） 按图连接好实验装置后，先将紫色石蕊溶液倒入演示装置内直到填满腔体5。加入数粒玻璃防沸珠，倒入适量植物油于腔体3中，再往腔体2中通入足量二氧化碳气体（因二氧化碳密度大于空气，所以会在进入腔体2时自动排出内部空气）。

（3） 将点燃的木条放在瓶口处，观察实验现象。

（4） 盖好瓶盖，用手拿住容器本体侧举晃动数次，使二氧化碳气体与紫色石蕊溶液充分混合反应后，静置，观察紫色石蕊溶液颜色变化情况和气球充盈程度变化情况。

（5） 将点燃的酒精灯置于腔体5下方，隔石棉网对腔体5进行加热，待紫色石蕊溶液微沸后，停止加热，静止一段时间后观察实验现象。

2.5 实验现象和结论

在步骤（2）中可以观察到，随着二氧化碳的不断加入，侧下方的气球逐渐充盈，说明CO2的密度比空气密度大，加入的二氧化碳气体下沉至腔体中。

在步骤（3）中可以观察到，点燃的木条放在瓶口后，点燃的火苗熄灭，说明二氧化碳不可燃，且不支持燃烧，且瓶内已收集满二氧化碳。

在步骤（4）中可以观察到，气球充盈程度发生变化，由充盈变为干瘪，紫色石蕊溶液由紫色变为红色，说明二氧化碳与水发生了反应，且生成的物质为酸性物质。

在步骤（5）中，观察到气球充盈程度发生变化，由干瘪逐渐充盈，且溶液中颜色逐渐变化，由红色变紫色，说明步骤（4）中生成的酸性物质不耐热，遇热消失了，且有气体生成。

3 实验教学片段摘录

3.1 环节一：实验导学，探索原理

［教師演示］往盛有二氧化碳的塑料瓶中加水，振荡，塑料瓶变瘪。

［师］通过前面的学习，我们知道二氧化碳能溶于水，二氧化碳在溶于水的过程中有没有与水发生化学反应，生成新物质？如果有，新物质是什么？

［生］思考并回答。

［师］请同学们思考讨论并回答，如何在此实验的基础上进行改进、使所用仪器更少、操作更简便、现象对比更明显？

［生］思考讨论并回答。

3.2 环节二：改进实验，激活热情

［师］同学们，这是改进后的实验装置，大家看看这与课本上的有什么不同呢？

［生］课本中的分散部件比较多，改进后的装置是一个整体，结构简单。

［师］对的。现在如何检查它的气密性？

［生］可以在充气后盖紧瓶盖，观察气球的充盈程度是否变化，若是气球的充盈程度没发生变化，则证明它的气密性好（检查气密性操作略）。

［师］正确。现在将二氧化碳气体通入腔体2中，待气球充盈后，将点燃的木条放在瓶口，看到火苗熄灭后，取出木条，旋紧装置的瓶盖。同学们，为什么燃着的木条会熄灭？

［生］因为里面有CO2， CO2不能燃烧，且不支持燃烧，所以燃着的木条熄灭了。

［师］对的。那么为什么瓶中会充满CO2？

［生］因为CO2密度比空气密度大，当往瓶中通入CO2后，CO2会沉入瓶中，同时将空气排出。

［师］是的，完全正确。现在我们将装置侧举，晃动，使瓶中CO2和紫色石蕊溶液充分混匀后静置，同学们观察到有哪些变化？

［生］紫色石蕊溶液由紫变红，气球由充盈变为了干瘪。

［师］说明什么？

［生］二氧化碳能溶于水，使得瓶中气体变少，同时生成了一种物质，使紫色石蕊溶液变红。

［师］正确。现在我们用酒精灯小心地加热腔体5，同学们观察有哪些变化呢？

［生］溶液中有气泡冒出，且红色褪去，由红变紫。气球又重新充盈了。

［师］说明什么呢？

［生］二氧化碳与水反应生成的物质消失了，同时有气体生成。

3.3 环节三：分析现象，再探实验

［师］往三份紫色石蕊溶液中，分别加入几滴纯水、稀盐酸溶液和稀氢氧化钠溶液，发现只有加入稀盐酸溶液的紫色石蕊溶液变红，其余未变色。这说明什么呢？

［生］酸性物质能使紫色石蕊溶液变红。

［师］同学们回想一下，刚才看到改进的演示装置振荡后，紫色石蕊溶液也变红，说明什么呢？

［生］二氧化碳与水反应生成的物质是一种酸性物质，它能使紫色石蕊溶液变红。

［师］正确，该酸性物质就是碳酸。那么刚才用酒精灯加热腔体5，发现溶液红色褪去，由红变紫，且溶液中有气泡冒出，气球也变充盈了，这又说明什么呢？

［生］二氧化碳与水反应生成的酸性物质遇热不稳定，随着加热消失了，同时有气体生成。

3.4 环节四：教师评价，得出结论

［师］通过我们以上实验，同学可以得到哪些结论呢？

［生］二氧化碳密度比空气大；不可燃且不支持燃烧；能溶于水，且与水和二氧化碳反应可以生成碳酸，碳酸能使紫色石蕊溶液变红；碳酸很不稳定，易分解生成水和二氧化碳。

［师］正确，现在请写出相应反应的化学方程式。

［生］略。

［师］很好，现在我们的演示装置又恢复了，有没有刚才没看清楚的同学想自己动手尝试一下呢？

［生］（踊跃尝试）。

4 改进装置的优点

（1） 简单便捷易操作。传统的二氧化碳性质教学实验装置前期准备工作量大，玻璃部件多，且玻璃部件间的连接、组装过程耗时较长，消耗了有限的课堂时间。本改进的一体化装置整体性强，不需要过多的时间进行连接，且操作简单，反应均在一体化玻璃容器内，安全性能好。

（2） 绿色环保可循环。传统的二氧化碳与水反应教学演示实验所涉及的试剂耗材为一次性消耗品，难以重复利用，增加了实验成本，且反應现象只能呈现一次，不便于加深学生对实验现象的理解和记忆。本装置在通入二氧化碳后的实验步骤和现象可反复实现，可提供学生亲自动手实验操作的机会，有利于对实验现象的深入理解。

（3） 价格便宜易制备。改进后的一体化实验装置为单独的玻璃器皿，批量生产后价格便宜，运输方便，性价比高。同时对于条件较为简陋的部分农村地区，仍存在因盐酸等危险化学实验品的缺乏而导致实验课程被取消的现象，本改进装置在一次性充入二氧化碳后，仅需加热、冷却，即可对部分实验内容重复展示，节约了盐酸等危险化学品的使用，有利于贫困地区化学实验课的展示，具有一定的推广性。

（4） 分步教学强理解。二氧化碳密度较大、二氧化碳不支持燃烧、水能和二氧化碳反应、碳酸能使紫色石蕊溶液变红、碳酸不稳定等性质，各个环节、每一步骤都以独立形式存在，可由授课教师根据学生当前理解状态自由把控，充分与学生互动，解决了传统实验中实验进程太快、操作过于频繁，导致学生难以兼顾，来不及思考等问题。教师可以根据实验操作——发现现象——分析讨论——总结评价等步骤由浅及深地扩展学生思维，培养他们勤于思考和科学推理的方法［2］。

总之，有关化学实验的创新没有止境，实验装置的改进，目的在于夯实化学基础知识，提高学生的实验能力。实验装置改进力求装置简单、节约药品、实验现象明显、可操作性强、可视化和重复性强、安全性高，既能减少课前准备实验的时间，又能激发学生的实验兴趣，在探寻最佳方案的基础上培养学生的化学实验素养［3］。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022.

［2］林晓霞. 乙醇与钠反应的新装置及教学实践［J］. 化学教学， 2022，（9）： 72～74.

［3］闫相友. 优化实验设计 培养学生化学实验素养——以二氧化碳的性质探究为例［J］. 化学教学， 2022，（4）： 79～83.