初中化學實驗設(shè)計之二氧化碳制取的研究

　　1．化學反應(yīng)原理：

　　該實驗分為幾個部分。

　　第一部分，根據(jù)復(fù)習和歸納氧氣的實驗室制取，總結(jié)出氣體制備的發(fā)生裝置與收集裝置選擇的思路。

　　第二部分，探究二氧化碳實驗室制備裝置的選擇。實驗室制取二氧化碳得用石灰石（或大理石）與稀鹽酸在常溫下反應(yīng)。

　　據(jù)此探究二氧化碳制取的裝置。首先得有容器，由于該反應(yīng)不需要加熱，該反應(yīng)的容器有很大的選擇范圍。為了在反應(yīng)前固體與液體不接觸，可以添加一個加液體的裝置（比如長頸漏斗、注射器等），反應(yīng)不需要加熱，故不需要酒精燈等加熱的設(shè)備。

　　二氧化碳能溶于水，不宜用排水集氣法收集；二氧化碳密度比空氣大，可用排上排空氣集氣法收集。

　　第三部分：制取二氧化碳。用石灰石和稀鹽酸反應(yīng)，用最簡單的裝置制取。

　　2．實驗儀器：試管、燒杯、單孔塞、集氣瓶、玻璃片等。

　　實驗藥品：石灰石（或大理石）、稀鹽酸、澄清石灰水等。

　　3．探究方案：

　　⑴在復(fù)習氧氣的實驗室制法的基礎(chǔ)上，歸納出制取氣體的發(fā)生裝置和收集裝置選擇的思路：

　　氣體的發(fā)生裝置的選擇必須考慮：①考慮反應(yīng)物的狀態(tài)（固態(tài)與固態(tài)或固態(tài)與液態(tài)或液態(tài)與液態(tài)，中學實驗中一般不會出現(xiàn)氣態(tài)與氣態(tài)物質(zhì)反應(yīng)制備氣體的情況）；②考慮反應(yīng)條件（是常溫下反應(yīng)還是加熱條件下反應(yīng)）。

　　氣體的收集裝置的選擇由氣體的性質(zhì)決定的。不易溶于水的能用排水集氣法收集；密度小于空氣且不與空氣中任何氣體反應(yīng)的用向下排空氣集氣法收集，密度比空氣大且不與空氣中任何成分反應(yīng)的，用向上排空氣集氣法收集。

　　⑵探究制取二氧化碳的裝置。

　　在上述分析的基礎(chǔ)上，教材引導(dǎo)學生從圖16-1中選擇儀器，組裝成制取二氧化碳的實驗室裝置。其實可選擇的儀器遠不止這些。

　　制取二氧化碳用塊狀固體石灰石（或大理石）與液體稀鹽酸反應(yīng)，因此必須有容器盛裝反應(yīng)物。反應(yīng)不需要加熱，所以該容器的選擇范圍很大，幾乎所有能用帶導(dǎo)管的塞子封閉容器口的都可以選擇作為該反應(yīng)的容器。比如試管、錐形瓶、燒瓶、廣口瓶，甚至連日常生活中的各種瓶子。

　　為了使反應(yīng)開始準備充分后再收集二氧化碳，就有必要在此之前將反應(yīng)物石灰石（或大理石）和稀鹽酸分開。可在裝置中加一長頸漏斗或分分液漏斗。若用長頸漏斗，需插入液面以下進行液封，防止氣體從長頸漏斗中逸出。還可以選用注射器等，不贅述。

　　二氧化碳能溶于水，但溶解性不大，1體積水中僅溶解1體積二氧化碳，且溶解的速度比較慢，完全可以用啟普發(fā)生器器制取。

　　圖16-2是筆者列舉的幾例制取二氧化碳的裝置。可引導(dǎo)學生開動腦筋，還可以找出很多裝置。

　　⑶制取二氧化碳

　　學生實驗可用最簡單的裝置。

　　①檢查裝置的氣密性。裝置好裝置，用手握住試管，導(dǎo)管另一端插入水中，觀察有無氣泡產(chǎn)生。

　　②在試管內(nèi)加入適量的石灰石（或大理石），加適量的稀鹽酸，塞上帶導(dǎo)管的塞子。

　　③用向上排空氣法收集氣體，用燃著的木條放在集氣瓶口試驗，若木條熄滅，說明二氧化碳已經(jīng)收集滿。蓋上玻璃片，正放在桌面上待用。（如圖16-3）

　　4．探究評價：

　　⑴二氧化碳發(fā)生裝置的選擇是該探究的重點。教材如此安排有利于開發(fā)學生的學科能力。教師應(yīng)引導(dǎo)學生，培養(yǎng)其發(fā)散思維，盡可能多地找出發(fā)生裝置。

　　⑵二氧化碳制取采用上述實驗，藥品用量少，裝置簡單，操作方便。但制取的二氧化碳量也少，更換藥品很不方便，更不能控制反應(yīng)的開始與終止。

　　教師實驗可采用如下裝置。（如圖16-4）

　　5．資源開發(fā)：

　　⑴原料選擇：

　　用于制取二氧化碳的藥品很多，除大理石和石灰石外，還可以選用的有雞蛋殼、貝殼等。水泥塊和陳舊的石灰塊也有較好的制取效果，但由于含雜質(zhì)較多，反應(yīng)時，容器中會出現(xiàn)大量的黑色泡沫，外觀很不好看。

　　⑵儀器選擇：

　　日常生活中的很多容器都可以用作制取二氧化碳的容器，如礦泉水瓶、牛奶瓶等。

　　⑶制取二氧化碳量較多時，可用如圖16-5所示裝置制取。

　　取兩支無底的廢舊試管，將試管口銼平，一去底部塞上帶導(dǎo)管的單孔塞，另一支上下都塞上帶導(dǎo)管的單孔塞，并用橡皮管將其連接起來，固定在鐵架臺上。在A管中加入適量的稀鹽酸，在B管中加入石灰石（或大理石）。提起A管，使稀鹽酸流入B管內(nèi)，與石灰石接觸反應(yīng)。不用時，可將A管放低，稀鹽酸流入A管內(nèi)，反應(yīng)停止。

　　該裝置雖然不是利用啟普發(fā)生器的原理，但也可以控制反應(yīng)的進行與停止。

　　6．創(chuàng)新思維：

　　⑴醋酸和純堿能否用于制取二氧化碳？

　　不能。

　　很多資料里都用這種方法作為學生的家庭實驗，但筆者做了很多次，效果都很差，反應(yīng)速率很慢。

　　⑵稀硫酸能否用于制取二氧化碳？

　　能。

　　硫酸與塊狀石灰石或大理石反應(yīng)時，一開始有大量氣泡產(chǎn)生。隨著時間的推移，反應(yīng)速率越來越慢，最后停止。這是由于反應(yīng)生成了不易溶于水的硫酸鈣，阻止了反應(yīng)的進一步進行。

　　但若將石灰石（或大理石）研成粉末再與稀硫酸反應(yīng)，則有理想怕反應(yīng)速度。若稀硫酸的量足夠，可保證石灰石（或大理石）反應(yīng)完全。這是由于石灰石（或大理石）顆粒小，與稀硫酸有很大的接觸面積。

　　但不可用濃硫酸。硫酸濃度大，含水量少。反應(yīng)后生成的硫酸鈣迅速沉淀，使反應(yīng)立即停止。

　　⑶能否用排水法收集二氧化碳？

　　二氧化碳能溶于水，在1atm下，1體積水能溶解1體積二氧化碳。這是理論值，并且是飽和狀態(tài)下的溶解值。二氧化碳溶解達到飽和的需要多長時間呢？

　　取一支大試管（或50毫升量筒），用排水法收集滿二氧化碳，用大拇指堵住試管口取出試管，再倒插入盛有適量水的燒杯中，靜置觀察，如圖16-6。24h后，試管內(nèi)液面可升至試管高度的1／2，3～5天內(nèi)水可充滿整個試管。

　　由上述實驗可以得出結(jié)論，雖然二氧化碳能溶于水，但由于溶解速度是，實驗室收集二氧化碳完全可以排水集氣法收集。當然，這也應(yīng)視具體情況，若需收集干燥的二氧化碳，還是用排空氣法為宜；收集二氧化碳的量較少時，也不宜用排水法

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