陳崇琳 張曉慧 李潔瓊 高和軍 廖運文

西華師范大學化學化工學院(637000) 西華師范大學教育學院(637000) 四川省宜賓市敘州區(qū)第二中學校(644600) 西華師范大學化學化工學院(637000)

1 問題的提出

“二氧化碳的實驗室制取和性質”是課程標準規(guī)定的8個基礎學生實驗之一[1],也是初中化學的重點教學內容。人教版9年級化學教材第6單元課題3對二氧化碳的性質進行探究[2],教材對二氧化碳的系列性質探究實驗步驟作出描述,但是教師在課堂上進行實驗演示時,時常出現(xiàn)許多問題。例如,教材第117頁“傾倒二氧化碳”實驗中,將二氧化碳倒入燒杯時,常出現(xiàn)上方蠟燭先熄滅或氣體倒完后兩支蠟燭都未熄滅的現(xiàn)象,影響教學效果;教材第118頁用石蕊紙花、醋酸、水、二氧化碳組合反應來探究二氧化碳與水反應的性質,教師需進行大量實驗準備,操作繁瑣且費時。以上實驗探究不僅藥品消耗量大,還存在實驗易失敗、操作繁瑣、演示時間較長等問題。

針對教材實驗中的問題,不少研究者對實驗裝置或藥品進行了改進研究:趙雅萍[3]用紙巢作軌道進行二氧化碳滅火的階梯實驗,實驗趣味性強;胡巢生[4]通過改裝的燃燒匙對二氧化碳的滅火實驗裝置進行改進;張曉燕[5]用自制T型玻璃管裝置比較二氧化碳與空氣的密度大小;李德前[6]用塑料瓶將二氧化碳的滅火實驗和二氧化碳與水反應的實驗結合;謝丹敏[7]利用自制二氧化碳儲存罐和具支試管制作裝置,將二氧化碳的制取與性質檢驗實驗進行一體化改進,節(jié)省了二氧化碳的制取與收集時間。以上改進實驗在二氧化碳的某一性質檢驗中取得良好的效果,但是還存在自制裝置復雜、改裝困難等問題。

2 設計思路

基于以上研究者的改進基礎和對教材實驗的分析,整合實驗將選用實驗室易得的原料與器材,繼續(xù)對二氧化碳的性質檢驗實驗裝置進行一體化設計:

(1)甄曉敏在二氧化碳制取和性質“一鍋化”實驗設計[8]中,將酚酞滴入澄清石灰水,再通入二氧化碳,觀察到紅色澄清石灰水逐漸變無色,同時,溶液逐漸變渾濁,該實驗現(xiàn)象明顯。結合上述實驗啟發(fā),一體化實驗將使用自制酚酞-澄清石灰水試紙與二氧化碳反應,通過觀察自制紅色酚酞-澄清石灰水試紙顏色變化的位置,驗證二氧化碳的密度比空氣大。一體化實驗用該步驟替代二氧化碳滅火實驗。

(2)用干燥、濕潤的藍色石蕊試紙,驗證二氧化碳能與水發(fā)生反應、碳酸的酸性和不穩(wěn)定性。

(3)在同一個裝置中使用自制紅色酚酞-澄清石灰水試紙和干燥、濕潤的藍色石蕊試紙,可同時對二氧化碳的密度、可燃性與助燃性、與水反應、碳酸的酸性與不穩(wěn)定性進行檢驗。

3 實驗儀器與藥品

儀器:具支試管(40 mm×150 mm)、酒精燈、鐵架臺(帶鐵夾)、火柴。

藥品:二氧化碳、藍色石蕊試紙、酚酞、澄清石灰水、蒸餾水。

4 實驗原理

二氧化碳的性質:

(1)物理性質:密度比空氣大。

(2)化學性質:①不可燃燒、一般情況下不具有助燃性;②易溶于水且會與水發(fā)生反應,生成物呈酸性:CO2+H2O=H2CO3;③碳酸不穩(wěn)定,易分解為二氧化碳和水:H2CO3=CO2↑+H2O。

5 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

圖1 二氧化碳性質檢驗一體化實驗裝置

6 二氧化碳性質檢驗一體化

如圖1所示實驗安裝二氧化碳性質檢驗一體化實驗裝置，并在白紙條上先后涂抹酚酞和澄清石灰水，制作成紅色的酚酞-澄清石灰水試紙，貼在具支試管遠離支口一側的內壁，同時貼上干燥的藍色石蕊試紙和的藍色石蕊試紙，將二氧化碳通入具支試管中。

實驗開始后,觀察到紅色的自制酚酞-澄清石灰水試紙從下到上由紅色變?yōu)闊o色(見圖2)。由于二氧化碳能與澄清石灰水反應,使澄清石灰水堿性變弱,因此能觀察到自制酚酞-澄清石灰水試紙紅色變淺最后變?yōu)闊o色;同時自制酚酞-澄清石灰水試紙顏色變化是從下到上,說明二氧化碳的密度比空氣大。通過自制酚酞-澄清石灰水試紙顏色變化的位置可驗證二氧化碳的密度比空氣大。

將點燃的火柴伸入具支試管中,火柴熄滅,驗證二氧化碳不具有可燃性、一般情況下不具有助燃性。

圖2 酚酞-澄清石灰水試紙顏色變化

如圖3(b)所示,濕潤的藍色石蕊試紙變紅,干燥的藍色石蕊試紙無明顯變化,圖3(a)中濕潤未接觸二氧化碳的藍色石蕊試紙也無明顯變化,說明二氧化碳能與水發(fā)生反應,且反應后生成的物質呈酸性,該物質能使?jié)駶櫟乃{色石蕊試紙變紅。

停止通入二氧化碳,點燃酒精燈加熱具支試管,觀察到濕潤的藍色石蕊試紙由紅色變?yōu)樗{色,見圖3(c),說明碳酸不穩(wěn)定,加熱易分解。

(a) (b) (c) 圖3 石蕊試紙顏色變化

7 實驗說明

制作酚酞-澄清石灰水試紙時,先將酚酞均勻涂抹至白色小紙條上,再涂抹澄清石灰水,便于紙條吸附溶液著色。

檢驗二氧化碳的密度時,雖然向貼有濕潤藍色石蕊試紙的具支試管中通入二氧化碳也能觀察到藍色石蕊試紙的顏色從下到上由藍色變?yōu)闇\紅色,并得出二氧化碳的密度比空氣密度大的結論,但是由于濕潤的藍色石蕊試紙的顏色變化不如自制酚酞-澄清石灰水試紙的顏色變化明顯,因此在實驗中選用自制酚酞-澄清石灰水試紙?zhí)骄慷趸济芏鹊膶嶒灛F(xiàn)象。

8 一體化裝置的優(yōu)點

(1)在具支試管中同時放入干燥藍色石蕊試紙、濕潤藍色石蕊試紙和自制紅色酚酞-澄清石灰水試紙,可檢驗二氧化碳的密度、可燃性與助燃性、能與水反應、碳酸的酸性和不穩(wěn)定性等,同一個裝置可以對二氧化碳的多個性質進行檢驗。

(2)實驗成功率高。用自制酚酞-澄清石灰水試紙的顏色變化和火柴熄滅來驗證二氧化碳的密度、可燃性與助燃性,有效解決了二氧化碳滅火實驗易失敗的問題。

(3)實驗裝置簡易,不用對器材進行改裝即可使用。

(4)實驗藥品與器材易得,實驗所使用的藍色石蕊試紙、酚酞、酒精燈、火柴等在實驗室即可找到,使用的具支試管(40 mm×150 mm)也可在網(wǎng)上進行購買,經(jīng)濟實惠,解決了改裝裝置器材不常見的問題,有利于實驗的普及。

(5)實驗操作簡單、節(jié)約藥品。一體化實驗裝置解決了二氧化碳性質檢驗過程中操作繁瑣費時、藥品消耗量大的問題。

9 結論

“二氧化碳的實驗室制取和性質”是初中化學學習的重點,對二氧化碳的制取和性質檢驗進行學習,有利于鞏固舊知識——碳的單質,也有利于學習新知識——為酸堿鹽的學習打好基礎,還能培養(yǎng)學生將理論與實際生活相聯(lián)系的能力。同時,“二氧化碳的實驗室制取和性質”也是課程標準規(guī)定的8個基礎學生實驗之一,由于該課題涉及的實驗較多、操作繁瑣費時、藥品消耗量大、滅火實驗成功率不高,教師在教學過程中多選擇以實驗視頻代替課堂實驗,學生在學習時難以有參與感,會影響教師的教學效果。該一體化實驗裝置具有操作簡單、現(xiàn)象明顯、成功率高、節(jié)約藥品、利于課堂展示與普及等優(yōu)點,便于廣大教師借鑒參考,提高學生學習化學的興趣。