曹先　楊軍峰

摘要： CO2的實驗室制取是初中化學重要的學習內(nèi)容之一，探究的重點通常為CO2發(fā)生裝置的選擇與優(yōu)化，但對試劑的選擇、優(yōu)化較少涉及。本文依據(jù)“元素守恒”思想，結(jié)合化學史和實驗對CO2實驗室制取中藥品的選擇進行多維度探究，突破知識難點，激發(fā)學生學習興趣，發(fā)展學生“科學探究與創(chuàng)新思維”“證據(jù)推理與模型認知”等化學學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞： CO2的實驗室制取;元素守恒;藥品選擇;教學設計

文章編號：1008-0546（2022）06x-0090-03?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼： B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.06x.024

一、問題的提出

CO2的實驗室制取是九年級學生必須完成的八個基礎化學實驗之一，《義務教育化學課程標準（2011年版）》的內(nèi)容要求是：初步學習 CO2的實驗室制法

[1]即要求學生學會有關制取二氧化碳的方法，對制

取氣體的一般思路有基本了解，包括藥品的選擇、裝置的設計、實驗的方法等[2]。實驗室制取氣體的一般思路如圖1所示[3]：

在教學實踐中，教師大多聚焦于 CO2發(fā)生裝置的選擇與優(yōu)化，反應原理的選擇，氣體純度、反應條件以及反應速率等，對于如何依據(jù)質(zhì)量守恒定律選擇藥品，如何依據(jù)藥品價格等對藥品進行優(yōu)化關注較少[4]?；谝陨险J識，筆者通過重構(gòu)教材的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，設計了“實驗室制取二氧化碳的藥品選擇”的實驗探究課。

二、教學設計

1.教學目標

（1）依據(jù)“化學反應前后元素種類不變”，從常見物質(zhì)中挑選出實驗室可以制取CO2的物質(zhì)，樹立元素守恒的思想。

（2）能結(jié)合藥品價格、狀態(tài)及反應條件對實驗室可以制取CO2的藥品進行篩選與優(yōu)化，增強學生節(jié)約成本、降低能耗等意識。

（3）通過物質(zhì)組成分析以及猜想假設、史料研讀、實驗設計等途徑，發(fā)展學生“科學探究與創(chuàng)新思維”“證據(jù)推理與模型認知”等學科核心素養(yǎng)。

2.教學流程（見圖2）

三、教學實錄

環(huán)節(jié)一依據(jù)守恒探尋藥品

[回顧]實驗室為什么選用KMnO4、KClO3、H2O2等試劑制取O2？

[學生]因為它們的組成中都含有氧元素，分解后都能生成氧氣。

[問題]C、NaCl、CaCO3、MgCO3、NH4Cl 這些物質(zhì)，哪些有可能用于制取CO2？你判斷的依據(jù)是什么？

[學生1]C、CaCO3、MgCO3可能會用于制取CO2。

[學生2]依據(jù)化學反應前后元素的種類不變，C、 CaCO3、MgCO3組成中都含有碳元素，可能會用于制取 CO2。

[問題]C如何生成CO2？該方法是否適用于實驗室制取較為純凈的二氧化碳？為什么？

[學生1]碳和氧氣點燃后生成CO2。

[學生2]木炭還原氧化銅粉末生成CO2。

[學生3]碳和氧氣點燃后還會生成CO，得不到純凈的 CO2。木炭還原氧化銅粉末需要高溫條件，實驗操作繁瑣且耗能大。二者都不適合實驗室制取二氧化碳。

[問題]CaCO3、MgCO3都含有碳元素，能否制取 CO2？

環(huán)節(jié)二通過史料感悟藥品

[問題]西晉張華在《博物志》中有“燒白石作白灰”的記載，就是將白石（主要成分是 CaCO3）加熱到900℃左右會有白灰（CaO）生成。請判斷還有別的物質(zhì)生成嗎？張華為什么沒有記載？你認為該物質(zhì)可能是什么？

[學生1]依據(jù)元素守恒，不可能只生成CaO，還應該有含碳的物質(zhì)生成。

[學生2]張華沒有說明可能生成了氣體。

[學生3]氣體可能是CO2，也可能是CO，還可能二者都有。

[問題]1755年，英格蘭化學家布萊克做了類似實驗，將白堊（主要成分是 CaCO3）煅燒，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量減了44%。你認為氣體是什么？理由是什么？白堊煅燒的化學反應方程式如何書寫？

[學生1]氣體是 CO2。依據(jù)質(zhì)量守恒定律，假如白堊的質(zhì)量為100份，則其完全煅燒后會生成56份質(zhì)量的CaO，若生成氣體是CO2，質(zhì)量正好是44份。這與布萊克實驗數(shù)據(jù)吻合。

[學生2]白堊（石灰石）煅燒的化學反應方程式為 CaCO3 CaO+CO2↑

環(huán)節(jié)三對比分析優(yōu)化藥品

[問題]事實證明煅燒 MgCO3也會發(fā)生類似煅燒 CaCO3的反應（分解溫度為700℃），它們的市場參考價：500 g碳酸鎂374元，500 g碳酸鈣20元。你會選擇哪一種藥品？

[學生1]還需要考慮試劑的價格。

[學生2]從價格的角度考慮，實驗室制取 CO2最好選擇白堊（石灰石）。

[問題]用高溫煅燒白堊（石灰石）的方法是否適合實驗室制取CO2？

[學生1]實驗室常用的加熱儀器是酒精燈，火焰的最高溫度為500℃，不能達到反應的要求。

[學生2]如此高的溫度需要耗費大量的能源且不安全，不適合實驗室制取CO2。

[問題]實驗室制取 CO2氣體還需考慮反應的條件。如果選擇價格相對便宜的白堊（石灰石）作為制取CO2的藥品之一，我們該如何讓它在較為溫和的條件下放出CO2氣體呢？下面是生活中常用的補鈣劑及相關信息（見圖3）。

仔細觀察后猜想：難溶于水的碳酸鈣中的鈣元素是如何被人體吸收的？

[學生1]應該是碳酸鈣和胃液中的稀鹽酸發(fā)生了反應，生成了可溶物被人體吸收了。

[學生2]從不良反應“噯氣，胃腸脹氣”等推測有 CO2氣體產(chǎn)生。

[演示]碳酸鈣D3顆粒與稀鹽酸反應并驗證產(chǎn)生的氣體是CO2。

[學生]大理石與稀鹽酸確實發(fā)生了反應，生成的氣體能使澄清石灰水變渾濁，證明是CO2氣體。

[問題]廚房中的純堿（主要成分 Na2CO3）與碳酸鈣的組成有何相似之處？你認為碳酸鈉與稀鹽酸可以反應產(chǎn)生CO2嗎？

[學生1]都含有碳酸根離子（CO -）。

[學生2]它們的組成相似，應該會產(chǎn)生CO2。

[分組實驗]Na2CO3粉末、CaCO3粉末、塊狀大理石分別與稀鹽酸反應。觀察反應速率的快慢。

[學生1]都有 CO2生成，但使用 Na2CO3粉末與 CaCO3粉末產(chǎn)生CO2的速率很快，不利于收集氣體。

[學生2]塊狀大理石產(chǎn)生CO2的速率適中，有利于收集氣體。實驗室可以用塊狀大理石和稀鹽酸反應制取CO2。

[問題]塊狀大理石和稀鹽酸屬于“電性”反應，即正價元素與負價元素結(jié)合。化學反應方程式如何書寫？

[學生1]CaCO3+2HCl〓CaCl2+H2O+CO2↑。

[學生2]從藥品的來源、價格的低廉、操作的簡便性和安全性等多方面考慮，在實驗室里，稀鹽酸與塊狀大理石反應的速率適中，最適宜做實驗室制取CO2的原料。

四、教學反思

本教學設計引導學生根據(jù)質(zhì)量守恒定律在眾多化學物質(zhì)中快速篩選出實驗室制取CO2的合適藥品，強化學生的“元素守恒”思想，幫助學生構(gòu)建氣體制取中藥品選擇的思維模型，通過對 CO2發(fā)現(xiàn)史中部分史料的分析，培養(yǎng)學生基于證據(jù)進行分析推理的能力。通過對比 CaCO3、MgCO3、Na2CO3組成和結(jié)構(gòu)，預測它們在一定條件下都可以產(chǎn)生CO2，滲透“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的基本觀念，學生從微觀層面認識物質(zhì)的水平得到提高。通過創(chuàng)新實驗，既適當拓展了教材內(nèi)容，有利于學生掌握知識、開闊視野，又有利于培養(yǎng)學生的探究精神，學生真正學會在實驗室制取氣體時如何選擇試劑。

總之，CO2的實驗室制法是鞏固和深化氣體物質(zhì)實驗室制取的思路和方法、訓練基本實驗技能及發(fā)展學生科學探究能力的重要載體[5]。教師在教學中應該充分挖掘其中蘊含的學科價值與學科思想，在引導學生掌握學科知識、基本技能、基本方法的同時，培養(yǎng)學生正確的價值觀念、必備品格和關鍵能力。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年）[S].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]婁延果.課程標準案例式導讀與學習內(nèi)容要點[M].吉林：東北師范大學出版社，2012.

[3]王榮橋等.2021年中考化學復習備考研究[J].中學化學教學參考，2021（03）：41-49.

[4]繆徐.“二氧化碳制取的研究”教學設計及點評[J].中學化學教學參考，2009（03）：18-21.

[5]楊梓生，吳菊華，林紅梁.初中化學教材與教學微研究（上冊）[M].上海：上海教育出版社，2017.