黃婉純, 鄭子山, 林 珩

（閩南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，福建漳州363000）

二氧化碳的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)在《科學(xué)》教材占有重要地位，在蘇教版《科學(xué)》四年級上冊和浙教版《科學(xué)》八年級下冊均有涉及.以下對二氧化碳系列實(shí)驗(yàn)在小學(xué)與初中《科學(xué)》教材中的具體內(nèi)容進(jìn)行梳理，見表1.

從表1 中可知，蘇教版小學(xué)《科學(xué)》和浙教版初中《科學(xué)》中的二氧化碳實(shí)驗(yàn)活動有很多相似之處，其中蘇教版小學(xué)《科學(xué)》中二氧化碳的制備實(shí)驗(yàn)裝置無法控制反應(yīng)物的加入量，達(dá)不到控制實(shí)驗(yàn)反應(yīng)速率的目的.此外，兩個版本的實(shí)驗(yàn)同時存有以下的不足點(diǎn)：

1) 二氧化碳性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一一分開操作，不能連續(xù)完整地表現(xiàn)二氧化碳的性質(zhì)，勢必造成實(shí)驗(yàn)耗時過長，知識點(diǎn)零碎，不利于學(xué)生系統(tǒng)掌握；

2) 所需儀器復(fù)雜且藥品使用量大，實(shí)驗(yàn)需要多次制備或準(zhǔn)備多份二氧化碳，操作繁瑣；

3) 用燒杯向階梯蠟燭傾入二氧化碳的實(shí)驗(yàn)成功率不高.第一，可能由于傾倒燒杯的速度過快，兩支蠟燭同時熄滅或熄滅前后順序不明顯；第二，由于燒杯內(nèi)兩支蠟燭燃燒時間較長造成杯內(nèi)溫度較高，倒入的二氧化碳會受熱膨脹上升，使得二氧化碳沒來得及下沉就被沖散開，最后上方蠟燭先于下方蠟燭熄滅，與“二氧化碳比空氣重，下方蠟燭先熄滅，上方蠟燭后熄滅”的結(jié)論相悖，造成思維混亂；第三，用鐵絲做成階梯狀放置兩支蠟燭，會造成下方蠟燭與上方蠟燭與二氧化碳的傾倒位置距離不相等，學(xué)生會誤以為下方蠟燭先熄滅是因?yàn)榫嚯x二氧化碳近，先接觸二氧化碳，而不是因?yàn)槎趸急瓤諝庵兀恋降撞颗c其接觸.

針對以上不足，有必要立足于中小學(xué)生的年齡特點(diǎn)和對知識的認(rèn)知順序?qū)滩闹卸趸嫉闹苽浜托再|(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一體化微型改進(jìn).

1 實(shí)驗(yàn)微型一體化改進(jìn)的研究現(xiàn)狀

趙東洋[1]對二氧化碳系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微型化一體設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是控制了反應(yīng)的啟停，運(yùn)用了微型儀器和實(shí)現(xiàn)了制備與性質(zhì)一體化，節(jié)約了試劑，減少了污染，縮短了實(shí)驗(yàn)操作時間，提高了課堂效率.但存在不足的地方是實(shí)驗(yàn)缺少對二氧化碳不支持燃燒，比空氣重的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且實(shí)驗(yàn)所用的儀器較復(fù)雜，如實(shí)驗(yàn)所用的T 型管、微型氣體實(shí)驗(yàn)器、微型集氣瓶等并非常見儀器.

廖小紅[2]對二氧化碳制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一體化微型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)也是把二氧化碳的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)連為一體，運(yùn)用了微型實(shí)驗(yàn)儀器，能控制二氧化碳的產(chǎn)生速率，但也缺少對二氧化碳不支持燃燒，比空氣重的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，沒能完整體現(xiàn)出教材中二氧化碳的所有性質(zhì)實(shí)驗(yàn).

謝丹敏[3]設(shè)計(jì)了二氧化碳制取與系列性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)裝置，雖然實(shí)驗(yàn)裝置具有較高的嚴(yán)謹(jǐn)性，能完整體現(xiàn)教材上對二氧化碳的內(nèi)容要求，但使用的儀器較多，不夠簡約，勢必造成操作繁瑣.

張澤志[4]嘗試對二氧化碳性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新和微型化改進(jìn)，雖然達(dá)到微型一體化的效果且能完整地體現(xiàn)教材中二氧化碳的所有性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，但缺點(diǎn)是反應(yīng)裝置比較復(fù)雜、所用儀器數(shù)量多、操作過程不夠簡便.

以上實(shí)驗(yàn)裝置都具有微型一體化的優(yōu)勢，但實(shí)驗(yàn)步驟不夠簡化、儀器不夠簡約、不能簡單完整地串聯(lián)教材上二氧化碳的知識點(diǎn).

2 《科學(xué)》教材中二氧化碳實(shí)驗(yàn)的微型化改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)用品

1）藥品：小蘇打、醋精、澄清石灰水、蒸餾水、藍(lán)色石蕊試紙.

2）儀器：湛江師范學(xué)院開發(fā)的中學(xué)化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)儀器（操作臺、主鐵夾、多用滴管、具支試管、橡膠塞、直角形側(cè)泡反應(yīng)管、直角形通氣管）、5 mL 燒杯、2 mL 注射器、生日蠟燭、橡膠管、火柴、鑷子.

2.2 蘇教版《科學(xué)》中的二氧化碳實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

2.2.1 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置圖

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，省略操作臺、支柱和主鐵夾，見圖1.

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟及其現(xiàn)象

1）由于該實(shí)驗(yàn)裝置的組裝搭建對于小學(xué)生來說存在一定難度，因此科學(xué)教師需在課前為每小組的學(xué)生事先組裝好一整套改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置.具體操作是在具支試管中加入少量小蘇打， 用多用滴管吸入一半體積的醋精，用微型注射器吸入澄清石灰水.在橡膠塞上鉆好兩個洞口，分別插上多用滴管和微型注射器， 塞在具支試管上端口處.在5 mL 的燒杯中用蠟油固定好高低不等的兩支生日蠟燭.按照圖1 蘇教版《科學(xué)》中的二氧化碳實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置圖組裝儀器.

2）學(xué)生用另一支燃燒的蠟燭將燒杯中高低不等的兩支蠟燭引燃，再立即將多用滴管中的醋精緩慢注入具支試管中，觀察醋精與小蘇打發(fā)生反應(yīng).可以觀察到具支試管中有大量氣泡產(chǎn)生，證明醋精與小蘇打反應(yīng)有二氧化碳?xì)怏w生成.并且低的蠟燭熄滅，高的蠟燭后熄滅，驗(yàn)證了二氧化碳不支持燃燒、密度比空氣重的性質(zhì).

3）待階梯蠟燭熄滅后，學(xué)生將盛有澄清石灰水的注射器的活塞往外拉，吸入具支試管中殘留的二氧化碳，可以觀察到注射器中的澄清石灰水立即變渾濁的明顯現(xiàn)象，以此證明二氧化碳能與澄清石灰水反應(yīng).

2.3 浙教版《科學(xué)》教材中二氧化碳實(shí)驗(yàn)的微型化改進(jìn)

2.3.1 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置圖

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，省略操作臺、支柱和主鐵夾，見圖2.

圖2 浙教版二氧化碳系列實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置Fig.2 Carbon dioxide series experiment improvement device of zhejiang education edition

2.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟及其現(xiàn)象

1）在具支試管中加入少量小蘇打，用多用滴管吸入一半體積的醋精，2mL 微型注射器吸入1mL 澄清石灰水.用鑷子夾取一片干燥的藍(lán)色石蕊試紙放在直角形側(cè)泡反應(yīng)管的側(cè)泡3 處， 并用注射器向其注入少量蒸餾水， 使干燥的試紙變濕潤.再用鑷子夾取另外一片干燥的藍(lán)色石蕊試紙放在直角形側(cè)泡反應(yīng)管的側(cè)泡2 處（側(cè)泡1 處作為緩沖區(qū)，用于預(yù)防稀醋精和蒸餾水涌入干燥的藍(lán)色石蕊試紙），用作對比實(shí)驗(yàn).

2）按圖2 浙教版《科學(xué)》教材中的二氧化碳實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置圖組裝實(shí)驗(yàn)儀器.

3）用另一支燃燒的蠟燭將高低不等的兩支蠟燭引燃，將立即多用滴管中的醋精緩慢注入具支試管中，與小蘇打發(fā)生反應(yīng).可以觀察到以下現(xiàn)象并得到相應(yīng)的結(jié)論:a)具支試管中有大量氣泡產(chǎn)生，證明醋精與小蘇打反應(yīng)有二氧化碳?xì)怏w生成；b)側(cè)泡2 處和側(cè)泡3 處的藍(lán)色石磊試紙有不同現(xiàn)象，側(cè)泡2 處的干燥試紙沒有明顯變化，側(cè)泡3 處濕潤試紙變紅，證明了二氧化碳與水反應(yīng)生成碳酸；c)高低兩支蠟燭火焰熄滅，并且低的蠟燭先于高的蠟燭熄滅，驗(yàn)證了二氧化碳不支持燃燒，密度比空氣重的性質(zhì).

4）點(diǎn)燃酒精燈加熱直角形側(cè)泡反應(yīng)管側(cè)泡3 處變紅的石蕊試紙，可以觀察到變紅的石蕊試紙恢復(fù)為藍(lán)色，證明生成的碳酸具有不穩(wěn)定，容易分解的性質(zhì).

5）待階梯蠟燭熄滅后，將盛有澄清石灰水的注射器的活塞往外拉，吸入具支試管中殘留的二氧化碳?xì)怏w，可以觀察到注射器內(nèi)的澄清石灰水立即變渾濁的明顯想象，證明二氧化碳與澄清石灰水反應(yīng)有碳酸鈣沉淀產(chǎn)生.

2.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

兩組微型改進(jìn)實(shí)驗(yàn)具有共同的實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)如下：

1）用多用滴管注射醋精時，要緩慢注入，確保最終醋精的加入量接近具支試管的支管口處即可，防止由于反應(yīng)過于劇烈，大量氣泡產(chǎn)生，造成加入的醋精從支管口處溢出，影響實(shí)驗(yàn)效果.

2）用蠟油固定不同高度的蠟燭時，要緊貼燒杯的另一側(cè)，確保兩支蠟燭的位置與燒杯另一側(cè)直角形通氣管的距離相等，排除無關(guān)變量的干擾.

3）設(shè)置高低不等的蠟燭時，要確保蠟燭的最高高度低于燒杯口，同時直角形通氣管出氣口要低于燒杯口且高于或與高處蠟燭平行.

3 改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器微型化體現(xiàn)綠色化學(xué)的理念

相比較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)后的兩組實(shí)驗(yàn)都采用了中學(xué)化學(xué)微型實(shí)驗(yàn)儀器，利用了微型儀器簡單便攜的特點(diǎn)，能大大節(jié)省藥品用量，減少二氧化碳的排放量，符合綠色化學(xué)的理念，且安全系數(shù)高，不僅適合中學(xué)生在課堂實(shí)踐，也適合具備初步實(shí)驗(yàn)操作技能的四年級小學(xué)生自己親手操作，有助于對中小學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新精神和環(huán)境保護(hù)教育.

3.2 制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化，有效整合提高實(shí)驗(yàn)效率

圖1 的實(shí)驗(yàn)裝置對蘇教版《科學(xué)》教材上的三個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效整合，將二氧化碳制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)連為一體，在較短的時間內(nèi)，可以制得二氧化碳并看到二氧化碳使高低不等的蠟燭先后熄滅，使澄清石灰水變渾濁，儀器簡單輕便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯.圖2 的實(shí)驗(yàn)裝置是在圖1 實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上增加了直角形側(cè)泡反應(yīng)管、酒精燈，對浙教版《科學(xué)》教材上的四個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效整合.兩套改進(jìn)裝置簡化了實(shí)驗(yàn)儀器和步驟，提高了實(shí)驗(yàn)效率和教學(xué)效果.

3.3 原料生活化

由于課本中稀鹽酸與石灰石反應(yīng)緩慢，對實(shí)驗(yàn)原料進(jìn)行改進(jìn)，采用了比白醋濃度高的醋精和小蘇打作為實(shí)驗(yàn)原料，原料生活化，安全性能高，可以取得更佳的實(shí)驗(yàn)效果.

3.4 排除實(shí)驗(yàn)無關(guān)變量的干擾

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)用直角形通氣管靠著燒杯壁進(jìn)行熄滅高低不等蠟燭實(shí)驗(yàn)，可以更好地讓二氧化碳順著燒杯壁流入燒杯底部，保證能達(dá)到正確的蠟燭熄滅先后順序.用蠟油固定高低不等的兩支蠟燭，會比制作鐵絲階梯更為簡便，同時兩支蠟燭的位置與直角形通氣管距離相等，能更好地排除實(shí)驗(yàn)無關(guān)變量的干擾.