洪碧瑜

摘要：從不同濃度稀鹽酸與石灰石反應(yīng)、用排水法收集二氧化碳的實(shí)驗(yàn)中獲取實(shí)證數(shù)據(jù)，結(jié)合手持技術(shù)對(duì)二氧化碳濃度進(jìn)行測(cè)定，以優(yōu)化稀鹽酸濃度的視角，從二氧化碳收集數(shù)量、速率、收集率及所達(dá)到的濃度等方面，探討了排水法收集二氧化碳的可行性。

關(guān)鍵詞：排水法集氣；二氧化碳濃度測(cè)定；手持技術(shù)；可行性；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2016）7–0065–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

初中化學(xué)教材中二氧化碳?xì)怏w只提到用向上排空氣法收集[1]，許多老師在進(jìn)行這部分知識(shí)的教學(xué)時(shí)，也認(rèn)為二氧化碳可溶于水，因此不宜用排水法收集。但近年來，對(duì)此看法的質(zhì)疑日漸增多，并有一些老師撰文對(duì)排水法收集的可行性進(jìn)行了論證。這些文章更多的是從氣體收集的可行性角度，如二氧化碳水溶液中微粒的存在形式[2]、二氧化碳溶解時(shí)在水中的擴(kuò)散速率[3]、二氧化碳溶解于水的速度實(shí)驗(yàn)[4]及不同方法收集二氧化碳的純度比較[5]等方面進(jìn)行論證；而涉及氣體發(fā)生的可行性，如實(shí)驗(yàn)時(shí)所選擇石灰石形狀、稀鹽酸濃度的不同對(duì)排水法收集二氧化碳會(huì)造成怎樣影響等等的研究則相對(duì)較少。本文嘗試從反應(yīng)物選擇的角度，從另一側(cè)面對(duì)排水法收集二氧化碳的可行性進(jìn)行論證。

2 問題研究

2.1 排水法收集二氧化碳的實(shí)驗(yàn)

利用圖1所示的裝置制取和收集二氧化碳（集氣瓶容積為145mL，錐形瓶容積為165mL）。

選用同批次的顆粒狀與塊狀石灰石分別與濃度為10%、7.5%、5%、2.5%、1%的稀鹽酸（每次用量均取70mL）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每次制取實(shí)驗(yàn)用容積為145mL的集氣瓶連續(xù)收集反應(yīng)產(chǎn)生的氣體，并記錄收集每瓶氣體所用的時(shí)間，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

就本實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)來看，濃度為1%的稀鹽酸不能完成氣體的收集，濃度為2.5%的稀鹽酸收集的氣體偏少且耗時(shí)較長(zhǎng)，因此，實(shí)驗(yàn)制取時(shí)不宜采用這兩種濃度的稀鹽酸。僅從收集氣體的數(shù)量來看，其他三種溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)稀鹽酸均可用于制取二氧化碳的實(shí)驗(yàn)。

用排水法收集氣體，還存在著一個(gè)收集率的問題。從理論上計(jì)算，70mL 10%、7.5%、5%的稀鹽酸最多產(chǎn)生二氧化碳的體積分別約為2241mL、1649mL、1099mL（二氧化碳的密度取1.429 g·L-1）。就表1的數(shù)據(jù)分析，各組實(shí)驗(yàn)實(shí)際收集的二氧化碳與理論值之間存在的差異不盡相同（實(shí)驗(yàn)收集到二氧化碳的瓶數(shù)乘以實(shí)驗(yàn)用集氣瓶的容積即為實(shí)際收集的二氧化碳體積，沒有收集滿的一瓶沒有列入統(tǒng)計(jì)），具體情況如表2所示。

各組實(shí)驗(yàn)相比而言，7.5%的稀鹽酸與顆粒狀或塊狀的石灰石反應(yīng)產(chǎn)生氣體的收集率都達(dá)到了79%左右，氣體利用率符合氣體制取實(shí)驗(yàn)的要求。從另一個(gè)角度上看，這兩組實(shí)驗(yàn)，收集前6瓶氣體的平均用時(shí)分別為每瓶15.7秒和17秒，這與稀鹽酸濃度10%的兩組實(shí)驗(yàn)相差不大，而且這樣的速度也達(dá)到氣體收集實(shí)驗(yàn)的要求。

2.2 二氧化碳的濃度測(cè)定實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證排水法收集二氧化碳的可行性，以溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.5%的稀鹽酸和塊狀石灰石為反應(yīng)試劑產(chǎn)生二氧化碳，利用濃度傳感器測(cè)定不同時(shí)刻從反應(yīng)容器排出的氣體中二氧化碳的濃度，并通過數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)繪制濃度變化曲線，從而獲取實(shí)驗(yàn)所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳通過一個(gè)倒置在水中的漏斗收集。石灰石與稀鹽酸反應(yīng)的時(shí)間與對(duì)應(yīng)排出氣體中二氧化碳濃度的數(shù)據(jù)通過與漏斗相連的傳感器進(jìn)行測(cè)定，所得數(shù)據(jù)的圖像如圖3所示。

圖3顯示，反應(yīng)過程中二氧化碳濃度的變化呈現(xiàn)四個(gè)主要時(shí)段：反應(yīng)初期，二氧化碳濃度逐漸增大（每秒增加0.5%～1%）；接著快速增大（每秒遞增4%～5%）；然后又逐漸變緩（每秒增加0.5%～ 1%），最后趨于穩(wěn)定。結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程觀察到每一時(shí)段氣泡冒出的情況，將相關(guān)信息歸納如表3所示。

從表3可以看出，采用濃度7.5%的稀鹽酸和石灰石反應(yīng)制取二氧化碳，用排水法收集到的氣體中二氧化碳的濃度最高可達(dá)到96.5%。為此，說明只有選擇合適濃度的稀鹽酸為反應(yīng)物，采用排水法收集二氧化碳是完全可行的。利用濃度傳感器對(duì)濃度7.5%的稀鹽酸和塊狀石灰石反應(yīng)并用排水法收集到的前四瓶氣體中CO2的濃度進(jìn)行測(cè)定（所得數(shù)據(jù)如表4所示），數(shù)據(jù)表明即使是第一瓶收集的二氧化碳，其濃度也達(dá)到了52.6%，對(duì)于初中二氧化碳性質(zhì)實(shí)驗(yàn)而言，該濃度數(shù)值足夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。為證明這一點(diǎn)，繼續(xù)進(jìn)行一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，分別采用向上排空氣法和排水法進(jìn)行收集二氧化碳，當(dāng)收集15秒（排水法收集第一瓶二氧化碳的用時(shí)）后，用燃著的木條放在瓶口檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用排空氣法收集的二氧化碳沒能讓燃著的木條熄滅，而用排水法收集的能使燃著的木條熄滅。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 制取二氧化碳稀鹽酸濃度的選擇

從表1看，并不是所有濃度的稀鹽酸可以用于實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳，根據(jù)實(shí)際收集二氧化碳的數(shù)量來看，濃度1%和2.5%的稀鹽酸均不適合于實(shí)驗(yàn)；濃度5%的稀鹽酸，只有采用與顆粒狀的石灰石反應(yīng)，才勉強(qiáng)符合要求；而濃度為10%和7.5%的稀鹽酸，無論是與塊狀或顆粒狀的石灰石反應(yīng)，均可滿足要求，且收集二氧化碳的速率二者差別不大。表2顯示，利用7.5%的稀鹽酸制取二氧化碳的收集率比10%的稀鹽酸高。結(jié)合考慮稀鹽酸濃度對(duì)氯化氫揮發(fā)的影響及原料的利用率等因素，濃度在7.5%左右（大小偏差約為1%）的稀鹽酸應(yīng)是制取二氧化碳較為理想的反應(yīng)試劑。這一結(jié)論的可靠性從表4的數(shù)據(jù)中也能得到證實(shí)，該數(shù)據(jù)顯示，利用7.5%的稀鹽酸制取并收集的二氧化碳，其濃度最少也能達(dá)到52.6%。

2.3.2 排水法收集二氧化碳的適宜時(shí)機(jī)

對(duì)于排水法收集氣體，還應(yīng)考慮氣體發(fā)生裝置中的空氣是否對(duì)收集的氣體會(huì)造成影響，從而選擇開始收集氣體的時(shí)機(jī)。在氧氣的排水法收集中，有將氣泡連續(xù)均勻冒出25s定為收集氧氣適宜時(shí)機(jī)的研究[6]。從表3數(shù)據(jù)看，排水法收集二氧化碳，氣泡剛連續(xù)均勻冒出時(shí)，氣體的濃度并不高，只有7.88%，但在較短的時(shí)間內(nèi)，濃度迅速增大到（88.6%），剛好與收集一瓶二氧化碳（145mL）的用時(shí)差不多。結(jié)合表4數(shù)據(jù)來看，即使是反應(yīng)一開始就收集，得到的第一瓶二氧化碳仍符合實(shí)驗(yàn)要求，我們可以推斷將氣泡連續(xù)均勻冒出確定為收集二氧化碳的時(shí)機(jī)是完全可行的。

2.3.3 有關(guān)實(shí)驗(yàn)操作誤差的討論

在具體的實(shí)驗(yàn)操作過程中，石灰石的產(chǎn)地、石灰石形狀及大小，加入稀鹽酸的方式、發(fā)生裝置中錐形瓶大小和導(dǎo)氣管長(zhǎng)短等因素各不相同，對(duì)制取二氧化碳反應(yīng)的速率、排盡發(fā)生裝置中空氣的時(shí)間等會(huì)造成一定影響，從而可能使該實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)存在一定的偏差。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，排水法收集二氧化碳是可行的，但對(duì)于制取二氧化碳的反應(yīng)物有一定的條件要求。若采用塊狀或顆粒狀的石灰石與稀鹽酸反應(yīng)制取二氧化碳，稀鹽酸的濃度不宜太小，選擇濃度7.5%（±1%）左右的稀鹽酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)效果較為理想。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祖浩主編.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].上海：上海教育出版社，2014：43.

[2]陳明元.中學(xué)化學(xué)中二氧化碳溶于水的問題[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（9）：93.

[3]鄭萍，陳明元.相平衡與二氧化碳在水中的擴(kuò)散速率[J].貴州教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，15（2）：70.

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[6]張章錄.排水法收集氧氣時(shí)機(jī)選擇的實(shí)驗(yàn)探究[J].化學(xué)教學(xué)，2015，（8）：75.