人教版九年级上册第六单元课题2二氧化碳制取与系列性质实验装置的创新设计

二氧化碳制取与系列性质实验装置的创新设计 1 问题的提出 义务教育化学课程标准（2011 版）明确规定“二氧化碳的实验室 制取与性质”为学生必须完成的 8 个基础学生实验之一[1]，因此该实验 在现行初中化学各种版本教科书[2-3]中的重要性不言而喻。然而长期的 教学实践中我们发现如下问题：在二氧化碳的制取过程中，发生装置 并不能控制反应的发生与停止，一定程度上造成了药品的浪费；分次 进行二氧化碳的各个性质实验，所需药品用量大，耗时较长，有些实 验在实际操作过程中成功率并不高，如二氧化碳的灭火实验中，倾倒 二氧化碳时，有时上层蜡烛先熄灭；有时一瓶二氧化碳倾倒完毕，两 支蜡烛都没有熄灭或一起熄灭。因此，很多一线老师放弃了在课堂上 动手演示实验，转而采用动画或视频的方式演示实验，使得实验的教 学功能大打折扣，直接降低了学生对实验的真实感知，影响了实验教 学效果。基于上述原因，我们设计了一套二氧化碳制取与系列性质实 验装置。 2 装置的设计 2.1 前期设计 在前期的实验研究中通过整合常规实验仪器将二氧化碳的制 取和系列性质实验组装起来完成。 2.1.1 实验用品 （1）仪器：小具支试管 1 个（口径 2cm，长度 20cm）、医用注射器 1 个（60mL）、球型干燥管 1 个、烧杯 1 个（250mL）、酒精灯 1 个、 橡皮塞 2 个、乳胶管 2 个、胶头滴管 1 个、导管 1 个、镊子 1 个、铝 条 1 个（弯成阶梯状用）。 （2）药品及试剂：块状石灰石(或大理石)、蜡烛 2 支、稀盐酸（1:4）、 紫色石蕊试液、澄清石灰水、火柴 1 盒、棉花少许。 2.1.2 实验装置 实验装置如图 1 所示( 略去铁架台和铁夹)。 2.1.3 实验过程及问题 （1）连接好装置，检查装置气密性后，在小具支试管里加入适量 石灰石，在医用注射器中吸入适量稀盐酸，插入橡皮塞中，用棉花蘸 取适量澄清石灰水涂在球型干燥管球内壁上部，下部滴 5-6 滴紫色石 蕊试液后塞紧橡皮塞，将“阶梯”蜡烛用火柴点燃后放烧杯中，推动注 射器栓塞使稀盐酸缓缓流下，球型干燥管内澄清石灰水变浑浊，紫色 石蕊试液变红，烧杯内蜡烛自下而上依次熄灭，用酒精灯微微加热球 型干燥管球下部，石蕊试液由红色又变成紫色。 （2）在多次实验后，发现：虽然该装置容积较小，能控制二氧 化碳的反应速率，省时省料，能同时完成多个性质实验，但是装置的 微型化也但来一些问题，如向干燥管内加紫色石蕊试液和在干燥管内 壁涂澄清石灰水比较麻烦；装置容积小，药品微量化，不利于教师课 堂的演示与学生对实验现象的观察；另外查阅相关文献[4-6]，将产生的 二氧化碳用导管通入烧杯，虽然“阶梯”蜡烛能自上而下依次熄灭，我 们认为这样的现象并不能说明二氧化碳的密度比空气大，因为二氧化 碳并不是在重力作用下自然下沉的，而是被“挤压”出来的。 2.2 后期设计 考虑到课堂演示实验的科学性与可视化，同时为了增强实验演 示效果，经过半年多反复的实验与研究，我们通过将自制实验装置与 常规实验仪器相组合，将仪器固定在木制展板上，设计了“展板式二氧 化碳制取与系列性质实验装置”。 2.2.1 实验用品 （1）仪器：自制二氧化碳储存装置 1 个、大具支试管 1 个（口径 3.5cm，长度 20cm）、小具支试管 2 个（口径 2cm，长度 20cm）、 试管 1 个（口径 2cm，长度 20cm）、医用注射器 1 个（60mL）、烧 杯 1 个（250mL）、酒精灯 1 个、橡皮塞 4 个、乳胶管 5 个、导管 4 个、胶头滴管 1 个、镊子 1 个、止水夹 4 个、铝条 1 个（弯成阶梯状 用）。 （2）药品及试剂：块状石灰石(或大理石)、蜡烛 2 支、稀盐酸（1:4）、 紫色石蕊试液、澄清石灰水、饱和碳酸氢钠溶液、火柴 1 盒。 2.2.2 实验装置 实验装置如图 2 所示( 略去木制展板和一些固定部件)。 2.2.3 实验说明 （1）为了能使学生清楚的观察到二氧化碳通入紫色石蕊试液变 红，加热后又恢复紫色，因此选择将图 1 中的球型干燥管换成小具支 试管。 （2）为了实现二氧化碳在重力作用下自然沉降，同时考虑收集 的二氧化碳的量能顺利地将阶梯蜡烛的火依次熄灭，自制二氧化碳储 存装置，关闭储存装置两端的止水夹，拔掉上端的橡皮塞，打开下端 的活塞，实现二氧化碳在重力作用下的自然沉降，使二氧化碳像水一 样“流”入烧杯中，使阶梯蜡烛自下而上依次熄灭。 （3）为了演示二氧化碳与澄清石灰水的反应，同时为了说明二氧 化碳储存装置中的气体已经收集满，在储存装置后接一个导管通入装 有澄清石灰水的试管中，并在展板上加一深色背景，使白色沉淀现象 更明显。 （4）图 2 中虚框部分实验装置，是从实验研究的严谨性出发 设计的，以便除去从发生装置中挥发出来的氯化氢。但在二氧化碳性 质的新授课中向学生进行演示实验时，此部分装置不宜出现，以免增 加学生在学习新知时的认知负担。可以在中考复习阶段再现，让学生 思考添加此部分装置的作用。 2.2.4 实验步骤 （1）装置气密性的检查 按图 2 连接好装置，关闭止水夹 K1，在小试管内加入适量的水， 用酒精灯对大具支试管微微加热，伸入小试管内的导管有气泡产生， 停止加热后，导管内形成一段水柱，说明装置气密性良好。 （2）二氧化碳的制取 在大具支试管中加适量石灰石，然后用注射器吸取适量稀盐酸， 插入橡皮塞中，小具支试管中加入约 6mL 的紫色石蕊试液，试管中加 入约 10mL 的澄清石灰水。关闭止水夹 K1，推动注射器栓塞使稀盐酸 缓缓流下，根据反应速率控制流速，观察大具支试管内实验现象。 （3）二氧化碳的系列性质验证 分别打开止水夹 K2、K3 和 K4，二氧化碳依次通过紫色石蕊试液， 自制二氧化碳储存装置、澄清石灰水，观察实验现象。 2.2.5 实验现象及原理 （1）推动注射器栓塞，稀盐酸缓缓滴入石灰石中，迅速产生大量 气泡。 实验原理：二氧化碳的制取。在实验室里常用石灰石（或大理 石，主要成分为碳酸钙）与稀盐酸反应来制取二氧化碳，反应方程式 为：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑ （2）小具支试管中紫色石蕊试液变红。 实验原理：二氧化碳溶于水，与水反应生成的碳酸具有酸性， 能使紫色石蕊试液变红。 关闭止水夹 K2，打开止水夹 K1（防止橡皮塞冲出），用酒精灯对小具 支试管微热，试管内溶液由红色又恢复成紫色，说明生成的碳酸不稳 定，受热易发生分解。 （3）小试管中澄清石灰水变浑浊 实验原理：二氧化碳与澄清石灰水中的溶质氢氧化钙反应生成 了难溶于水的白色沉淀碳酸钙，反应方程式为： CO2+ Ca(OH)2= CaCO3↓+H2O，同时该现象也说明前面的自制二氧化 碳储存装置中的二氧化碳气体已经收集满。 （4）关闭止水夹 K3 和 K4，点燃烧杯中的“阶梯”蜡烛，将烧杯放 置在自制二氧化碳储存装置下方，拔掉储存装置顶部的小橡皮塞，缓 慢旋开下面的活塞，可以观察到烧杯内蜡烛自下而上依次熄灭。 实验原理：一般情况下，二氧化碳不可燃也不助燃。拔掉小橡 皮塞，旋开活塞，二氧化碳释放出来后，通入点燃的“阶梯”蜡烛烧杯 中，蜡烛会熄灭。二氧化碳的密度比空气大，约为空气密度的 1.5 倍。 所以下层蜡烛先熄灭，上层蜡烛后熄灭。 3 装置的优点 (1)实验设计巧妙地将二氧化碳的制取与性质，融为一体,现象 明显, 成功率高。 (2) 二氧化碳的制取与多个性质实验一气呵成，简化了实验操作 步骤,节省了二氧化碳制取的时间,提高了课堂演示效率。 (3)自制二氧化碳储存装置的使用，能使学生直接感知二氧化碳 在重力作用下，像水一样“流”入烧杯中，自然得出二氧化碳的密度比 空气大的结论。 4 注意事项 (1) 滴加盐酸的速率要适中，如果太慢，生成的二氧化碳不足以 维持后续的实验，如果太快，在较大压强下药品会被冲出装置。 (2)澄清石灰水暴露在空气中易变质，需要现配现用。