探究二氧化碳性质的创新实验设计

作者：孙延波　张大臣

来源：《化学教与学》2015年第05期

        摘要：文章对教材中的证明二氧化碳的密度比空气大、证明二氧化碳溶于水、证明二氧化碳与氢氧化钠发生反应三个实验进行了创新设计，以求实验现象更加明显，更好地发挥实验的教育价值。

        关键词：二氧化碳；性质；实验；创新

        文章编号：1008-0546（2015）05-0094-01 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

        doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2015.05.036

        在我们所使用的现行教材中，有关探究二氧化碳性质的实验设计方案，有的实验过程不够简捷，有的操作步骤不够合理，有的证明依据不够严密，可能导致对实验结果产生错误的理解，这就需要根据具体情况对实验的操作程序及步骤进行改进，以求实验现象更加明显，更好地发挥实验的教育价值。

        实验一：证明二氧化碳的密度比空气大

        教材中的实验设计：在托盘天平两边各放一只250 mL的烧杯，调节天平平衡。然后向其中一只烧杯中慢慢倾倒集气瓶中的二氧化碳气体。观察现象。

        存在的问题：由于在倾倒的过程中气体会扩散，并且倾倒的速度过快或过慢，都会影响到“天平倾斜”的现象不明显，使得实验现象的可信度降低。

        改进后的实验装置如图1所示。

        改进后的实验设计：把充有空气的气球放入烧杯中，将导气管管口伸入到烧杯的底部，然后通入二氧化碳，观察现象。随着二氧化碳的通入，可以观察到气球慢慢升起，悬浮在烧杯里。

        改进后的优点：

        1. 改进后的实验效果非常明显，成功率高。

        2. 增强了实验的可信度和可见度。

        3. 便于制作和操作，可以作为学生实验来进行，提高学生实验的探究兴趣。

        实验二：证明二氧化碳溶于水

        教材中的实验设计：向盛有二氧化碳的软塑料瓶中加入适量的蒸馏水，迅速拧紧瓶盖，振荡。可以观察到软塑料瓶变瘪。说明二氧化碳溶于水。因为二氧化碳溶于水，使得瓶内的气压减小，所以瓶子变瘪。

        但在实际操作中存在这样的问题：一是用塑料瓶采取向上排空气法收集二氧化碳，塑料瓶不易稳定放置；二是需要二氧化碳的量较大，收集时间较长。

        改进后的实验装置如图2所示。

        改进后的实验设计：

        1. 向装有二氧化碳的集气瓶中注入适量水，盖上玻璃片，充分振荡，将集气瓶倒置过来，可以观察到玻璃片没有掉下来。

        改进后的实验效果能更好地说明，由于瓶内的二氧化碳溶于水，使得瓶内的气压小于外界大气压，大气压产生的压力能够托住玻璃片，不至于掉下来。对这个实验学生充满了好奇，增强了实验的可信度，激发了学生的探究兴趣。

        2.用注射器吸入10 mL二氧化碳气体再吸收10 mL蒸馏水，然后用橡皮塞堵上针眼，充分振荡。发现注射器中气体量减少了。

        这个实验不仅能够说明二氧化碳能溶于水，更是直观地表示出二氧化碳气体溶解了多少。

        3. 将充满二氧化碳气体的试管倒扣于水中，轻轻晃动试管，可以观察到试管内液面上升。这个实验简单易行，也能说明气体溶于水，学生乐于尝试。

        实验三：证明二氧化碳与氢氧化钠发生反应

        因为CO2通入到NaOH溶液中无明显反应现象，那么怎么证明CO2与NaOH是不是确实发生了反应？

        我们通常采用的实验方案是：将CO2通入到NaOH溶液中，证明生成了新物质Na2CO3，在反应后的溶液里滴加盐酸，如果有气泡产生，就证明CO2与NaOH发生了反应。

        但是这个实验方案的设计，在逻辑上还是严密性不足。理由如下：因为CO2也能与NaOH溶液中的H2O反应生成H2CO3，同样含有CO32-，那么如何证明是Na2CO3中的CO32-与酸反应放出的CO2，还是H2CO3中的CO32-与酸反应放出的CO2？这就需要消除H2CO3的影响。

        我们将实验过程做了以下改进：先将反应后的溶液加热，使H2CO3分解，冷却到室温，再滴加盐酸，有气泡产生，就证明CO2与NaOH确实发生了反应。改进后的这个实验方案排除了干扰，变得更加逻辑严密、步骤完整，可以获得准确的结论。

        也可以设计下面的实验，更直观地证明二氧化碳与氢氧化钠发生反应：

        向盛有二氧化碳的软塑料瓶中直接加入两药匙氢氧化钠固体，迅速拧紧瓶盖，充分摇晃。过一会，可以观察到软塑料瓶变瘪，并能感受到塑料瓶发热变烫。再向塑料瓶中加入盐酸，又观察到有气泡产生。

        这个实验操作简单，效果明显。能充分说明二氧化碳与氢氧化钠确实发生了化学反应。