優(yōu)化設(shè)計 提高效率
——對探究二氧化碳性質(zhì)實驗裝置的改進

◆重慶市巴川中學(xué) 鄔成香 劉 松

探究二氧化碳的性質(zhì)實驗是化學(xué)實驗教學(xué)的重點之一。為幫助學(xué)生更好地理解二氧化碳的性質(zhì)，培養(yǎng)其觀察的習(xí)慣和創(chuàng)新能力，我們改進了原有的實驗裝置，將探究二氧化碳性質(zhì)的幾個實驗組合在一起，既節(jié)約了藥品，又提升了教學(xué)效率。

一、實驗準備

玻璃管、集氣瓶、玻璃片、氣球皮、膠塞、導(dǎo)管、玻璃活塞、膠頭滴管、球形干燥管、試管、止水夾、噴霧瓶、火柴、蠟燭、棉花。

稀鹽酸、醋酸、石灰石、飽和碳酸氫鈉溶液、氯化鈣固體、蒸餾水、澄清的石灰水、紫色石蕊試液浸泡過的濾紙條。

二、改進后的實驗裝置

改進后的實驗裝置如圖1。

圖1 改進后的完整裝置

三、改進后的實驗裝置介紹

在二氧化碳氣體的制取裝置A的直角導(dǎo)氣管上連接一根干燥管，干燥管的前端放入浸有飽和碳酸氫鈉溶液的棉花團，用于吸收揮發(fā)的氯化氫氣體。干燥管的圓球部分放入氯化鈣固體，用于吸附二氧化碳氣體中的水分，獲得干燥、純凈的二氧化碳，以利于后續(xù)實驗的順利完成。

B裝置中的玻璃管貼有4張用紫色石蕊試液浸泡過的濾紙條，內(nèi)側(cè)干、外側(cè)干、內(nèi)側(cè)濕和外側(cè)濕的各1張并編號，外側(cè)濕的濾紙條表面貼有塑料薄膜，避免后續(xù)實驗過程中受到影響。C、D集氣瓶中裝有約1/3的水，膠頭滴管中裝有紫色石蕊試液，膠頭與滴管接觸的地方用線或橡皮筋綁緊，防止實驗過程中漏氣，影響實驗效果。

圖2 裝置B實物圖

圖3 裝置C、D實物圖

四、實驗操作與結(jié)果

探究1：二氧化碳氣體的檢驗

問題1：生成的是否為二氧化碳氣體？

實驗：打開左邊的止水夾，啟動反應(yīng)裝置，向集滿氣體的一個集氣瓶中倒入少量的澄清石灰水，觀察現(xiàn)象。

現(xiàn)象：澄清的石灰水變渾濁。

結(jié)論：集氣瓶中收集的是二氧化碳氣體，進一步推斷二氧化碳與石灰水發(fā)生了反應(yīng)。

探究2：—般條件下二氧化碳的滅火性

問題2：為什么二氧化碳氣體能滅火？

實驗：打開左邊的止水夾，啟動反應(yīng)裝置，關(guān)閉右邊的止水夾。用細沙固定高、矮蠟燭，用玻璃管集滿二氧化碳氣體，用鑷子取下玻璃管下端的氣球皮。

現(xiàn)象：矮蠟燭先熄滅，高蠟燭后熄滅。

結(jié)論：二氧化碳不燃燒也不支持燃燒，密度大于空氣。

創(chuàng)新點：成功率高，操作安全；教師課前無需提前準備二氧化碳；蠟燭易固定，燭油易清理。

探究3：哪種物質(zhì)使紫色石蕊濾紙條變紅

問題3：二氧化碳與水反應(yīng)了嗎？

實驗：打開左邊的止水夾，啟動反應(yīng)裝置，關(guān)閉右邊的止水夾。玻璃管內(nèi)壁分別貼有濕潤和干燥的紫色石蕊濾紙條。用噴瓶向玻璃管外壁上4號濾紙條噴醋酸。

現(xiàn)象：玻璃管中1號濾紙條顏色不變，2號濾紙條由紫變紅，4號濾紙條變紅。

結(jié)論：二氧化碳不能使干燥的紫色石蕊濾紙條變色，水不能使干燥的紫色石蕊濾紙條變色。二氧化碳能使?jié)駶櫟淖仙餅V紙條變紅，醋酸能使紫色石蕊濾紙條變紅，說明二氧化碳氣體不顯酸性。但二氧化碳和濕濾紙條上的水反應(yīng)會生成碳酸，顯酸性，碳酸使?jié)駶櫟淖仙餅V紙條變紅。對比分析內(nèi)部濾紙條顏色的變化，得出二氧化碳與水反應(yīng)的結(jié)論。

圖4 B裝置實驗前、后對比

探究4：二氧化碳的溶解性實驗

實驗：打開左邊的止水夾，啟動反應(yīng)裝置，用集氣瓶D收集一瓶二氧化碳，向D瓶中倒入約1/3體積的水，立即塞緊膠頭滴管（膠帽內(nèi)已吸取紫色石蕊試液）的單孔塞，振蕩。同時向裝有空氣的C瓶中倒入約1/3體積的水，立即塞緊膠頭滴管（膠帽內(nèi)已吸取紫色石蕊試液）的單孔塞，振蕩。

現(xiàn)象：D瓶膠帽變癟，紫色石蕊試液自動滴下且溶液變紅，C瓶膠帽形狀和紫色石蕊試液顏色均無變化，如圖5。

圖5 C、D集氣瓶實驗前、后對比

結(jié)論：膠帽變癟說明集氣瓶內(nèi)部氣壓變小，證明二氧化碳能溶于水。二氧化碳與水反應(yīng)生成碳酸，碳酸能使紫色石蕊試液變紅。

探究5：碳酸受熱分解實驗

實驗：取下玻璃管中的2號變色后的濕潤石蕊濾紙條，在點燃的酒精燈上方烘干。

現(xiàn)象：濕潤的紅色石蕊濾紙條隨著水分的蒸發(fā)逐漸變成紫色。

結(jié)論：碳酸不穩(wěn)定，易分解。

五、實驗裝置設(shè)計的優(yōu)點

1.利用一體化的裝置設(shè)計巧妙地探究了二氧化碳的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，幾個實驗一氣呵成，對比強烈，實驗現(xiàn)象明顯，連貫性強。

2.本實驗裝置充分運用控制變量法、對比實驗法培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和探究精神，降低了學(xué)生理解的難度，有利于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

3.該裝置中的實驗反應(yīng)可以隨時發(fā)生、隨時停止，氣體循環(huán)使用，減少了向大氣中排放的二氧化碳量。