周密 張丹

摘要： 對原教材中二氧化碳與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置及藥品進(jìn)行簡化、整合、改進(jìn)和創(chuàng)新，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的不足，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、環(huán)保、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對比明顯、實(shí)驗(yàn)可分步操作且可暫停等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)所用二氧化碳及紫色石蕊溶液可重復(fù)利用，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能反復(fù)呈現(xiàn)。有助于學(xué)生提高對教材常規(guī)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生的批判能力和創(chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞： 二氧化碳； 演示實(shí)驗(yàn)； 實(shí)驗(yàn)裝置； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2023）05006003

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出：教師在教學(xué)中應(yīng)積極創(chuàng)造條件，開足、開好必做實(shí)驗(yàn)和跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，倡導(dǎo)“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，充分發(fā)揮必做實(shí)驗(yàn)和跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的教學(xué)功能及育人價(jià)值。在完成必做實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，努力創(chuàng)造條件，為學(xué)生提供更多的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)［1］。因此，教師在教學(xué)過程中應(yīng)善于整合和改進(jìn)，使學(xué)生在原有認(rèn)知的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)延伸，幫助學(xué)生理解知識(shí)，提升學(xué)習(xí)能力?！岸趸嫉幕瘜W(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)”是現(xiàn)行初中化學(xué)人教版教材中的一個(gè)重要的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)旨在證明二氧化碳能溶于水，且能與水反應(yīng)生成碳酸，同時(shí)碳酸不穩(wěn)定，易分解等。教師在教學(xué)過程中可在原有課本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對儀器裝置進(jìn)行整合和改進(jìn)，幫助學(xué)生打破固定思維模式與傳統(tǒng)認(rèn)知，使學(xué)生在原有認(rèn)知的基礎(chǔ)上能進(jìn)行適當(dāng)延伸，進(jìn)一步增強(qiáng)對知識(shí)點(diǎn)的理解，提升學(xué)習(xí)能力。

對比不同版本教材中的該實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)均有所長也有不足。為使實(shí)驗(yàn)操作更簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對比更明顯，實(shí)驗(yàn)試劑耗材更節(jié)約，以及培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)與創(chuàng)新意識(shí)，筆者設(shè)計(jì)了一套一體化實(shí)驗(yàn)裝置，用于二氧化碳化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 主要實(shí)驗(yàn)儀器和用品

實(shí)驗(yàn)儀器：一體化二氧化碳化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置、酒精燈

實(shí)驗(yàn)用品：紫色石蕊溶液、二氧化碳?xì)怏w、植物油

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

（1） CO2密度比空氣大；

（2） CO2+H2OH2CO3；

（3） H2CO3H2O+CO2↑；

（4） 酸性溶液能使紫色石蕊溶液變紅。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

一體化二氧化碳化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)從上到下分別為：1.螺紋瓶蓋（直徑2厘米）； 2.二氧化碳?xì)怏w收集腔體（直徑10厘米）； 3.油液儲(chǔ)存腔體； 4.氣球（接口處直徑1.5厘米）； 5.紫色石蕊溶液儲(chǔ)存腔體（直徑6厘米）； 6.三角架； 7.石棉網(wǎng)； 8.酒精燈。裝置示意圖如圖1所示。

2.4 實(shí)驗(yàn)操作步驟

（1） 檢查裝置氣密性。打開螺紋瓶蓋，往裝置中小心地通入適量氣體，待氣球充盈后，擰緊螺紋瓶蓋，一段時(shí)間后，若氣球大小不變，則說明裝置不漏氣。

（2） 按圖連接好實(shí)驗(yàn)裝置后，先將紫色石蕊溶液倒入演示裝置內(nèi)直到填滿腔體5。加入數(shù)粒玻璃防沸珠，倒入適量植物油于腔體3中，再往腔體2中通入足量二氧化碳?xì)怏w（因二氧化碳密度大于空氣，所以會(huì)在進(jìn)入腔體2時(shí)自動(dòng)排出內(nèi)部空氣）。

（3） 將點(diǎn)燃的木條放在瓶口處，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（4） 蓋好瓶蓋，用手拿住容器本體側(cè)舉晃動(dòng)數(shù)次，使二氧化碳?xì)怏w與紫色石蕊溶液充分混合反應(yīng)后，靜置，觀察紫色石蕊溶液顏色變化情況和氣球充盈程度變化情況。

（5） 將點(diǎn)燃的酒精燈置于腔體5下方，隔石棉網(wǎng)對腔體5進(jìn)行加熱，待紫色石蕊溶液微沸后，停止加熱，靜止一段時(shí)間后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論

在步驟（2）中可以觀察到，隨著二氧化碳的不斷加入，側(cè)下方的氣球逐漸充盈，說明CO2的密度比空氣密度大，加入的二氧化碳?xì)怏w下沉至腔體中。

在步驟（3）中可以觀察到，點(diǎn)燃的木條放在瓶口后，點(diǎn)燃的火苗熄滅，說明二氧化碳不可燃，且不支持燃燒，且瓶內(nèi)已收集滿二氧化碳。

在步驟（4）中可以觀察到，氣球充盈程度發(fā)生變化，由充盈變?yōu)楦砂T，紫色石蕊溶液由紫色變?yōu)榧t色，說明二氧化碳與水發(fā)生了反應(yīng)，且生成的物質(zhì)為酸性物質(zhì)。

在步驟（5）中，觀察到氣球充盈程度發(fā)生變化，由干癟逐漸充盈，且溶液中顏色逐漸變化，由紅色變紫色，說明步驟（4）中生成的酸性物質(zhì)不耐熱，遇熱消失了，且有氣體生成。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)片段摘錄

3.1 環(huán)節(jié)一：實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)，探索原理

［教師演示］往盛有二氧化碳的塑料瓶中加水，振蕩，塑料瓶變癟。

［師］通過前面的學(xué)習(xí)，我們知道二氧化碳能溶于水，二氧化碳在溶于水的過程中有沒有與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新物質(zhì)？如果有，新物質(zhì)是什么？

［生］思考并回答。

［師］請同學(xué)們思考討論并回答，如何在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)、使所用儀器更少、操作更簡便、現(xiàn)象對比更明顯？

［生］思考討論并回答。

3.2 環(huán)節(jié)二：改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，激活熱情

［師］同學(xué)們，這是改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，大家看看這與課本上的有什么不同呢？

［生］課本中的分散部件比較多，改進(jìn)后的裝置是一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)簡單。

［師］對的。現(xiàn)在如何檢查它的氣密性？

［生］可以在充氣后蓋緊瓶蓋，觀察氣球的充盈程度是否變化，若是氣球的充盈程度沒發(fā)生變化，則證明它的氣密性好（檢查氣密性操作略）。

［師］正確?，F(xiàn)在將二氧化碳?xì)怏w通入腔體2中，待氣球充盈后，將點(diǎn)燃的木條放在瓶口，看到火苗熄滅后，取出木條，旋緊裝置的瓶蓋。同學(xué)們，為什么燃著的木條會(huì)熄滅？

［生］因?yàn)槔锩嬗蠧O2， CO2不能燃燒，且不支持燃燒，所以燃著的木條熄滅了。

［師］對的。那么為什么瓶中會(huì)充滿CO2？

［生］因?yàn)镃O2密度比空氣密度大，當(dāng)往瓶中通入CO2后，CO2會(huì)沉入瓶中，同時(shí)將空氣排出。

［師］是的，完全正確。現(xiàn)在我們將裝置側(cè)舉，晃動(dòng)，使瓶中CO2和紫色石蕊溶液充分混勻后靜置，同學(xué)們觀察到有哪些變化？

［生］紫色石蕊溶液由紫變紅，氣球由充盈變?yōu)榱烁砂T。

［師］說明什么？

［生］二氧化碳能溶于水，使得瓶中氣體變少，同時(shí)生成了一種物質(zhì)，使紫色石蕊溶液變紅。

［師］正確?，F(xiàn)在我們用酒精燈小心地加熱腔體5，同學(xué)們觀察有哪些變化呢？

［生］溶液中有氣泡冒出，且紅色褪去，由紅變紫。氣球又重新充盈了。

［師］說明什么呢？

［生］二氧化碳與水反應(yīng)生成的物質(zhì)消失了，同時(shí)有氣體生成。

3.3 環(huán)節(jié)三：分析現(xiàn)象，再探實(shí)驗(yàn)

［師］往三份紫色石蕊溶液中，分別加入幾滴純水、稀鹽酸溶液和稀氫氧化鈉溶液，發(fā)現(xiàn)只有加入稀鹽酸溶液的紫色石蕊溶液變紅，其余未變色。這說明什么呢？

［生］酸性物質(zhì)能使紫色石蕊溶液變紅。

［師］同學(xué)們回想一下，剛才看到改進(jìn)的演示裝置振蕩后，紫色石蕊溶液也變紅，說明什么呢？

［生］二氧化碳與水反應(yīng)生成的物質(zhì)是一種酸性物質(zhì)，它能使紫色石蕊溶液變紅。

［師］正確，該酸性物質(zhì)就是碳酸。那么剛才用酒精燈加熱腔體5，發(fā)現(xiàn)溶液紅色褪去，由紅變紫，且溶液中有氣泡冒出，氣球也變充盈了，這又說明什么呢？

［生］二氧化碳與水反應(yīng)生成的酸性物質(zhì)遇熱不穩(wěn)定，隨著加熱消失了，同時(shí)有氣體生成。

3.4 環(huán)節(jié)四：教師評(píng)價(jià)，得出結(jié)論

［師］通過我們以上實(shí)驗(yàn)，同學(xué)可以得到哪些結(jié)論呢？

［生］二氧化碳密度比空氣大；不可燃且不支持燃燒；能溶于水，且與水和二氧化碳反應(yīng)可以生成碳酸，碳酸能使紫色石蕊溶液變紅；碳酸很不穩(wěn)定，易分解生成水和二氧化碳。

［師］正確，現(xiàn)在請寫出相應(yīng)反應(yīng)的化學(xué)方程式。

［生］略。

［師］很好，現(xiàn)在我們的演示裝置又恢復(fù)了，有沒有剛才沒看清楚的同學(xué)想自己動(dòng)手嘗試一下呢？

［生］（踴躍嘗試）。

4 改進(jìn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

（1） 簡單便捷易操作。傳統(tǒng)的二氧化碳性質(zhì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置前期準(zhǔn)備工作量大，玻璃部件多，且玻璃部件間的連接、組裝過程耗時(shí)較長，消耗了有限的課堂時(shí)間。本改進(jìn)的一體化裝置整體性強(qiáng)，不需要過多的時(shí)間進(jìn)行連接，且操作簡單，反應(yīng)均在一體化玻璃容器內(nèi)，安全性能好。

（2） 綠色環(huán)保可循環(huán)。傳統(tǒng)的二氧化碳與水反應(yīng)教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)所涉及的試劑耗材為一次性消耗品，難以重復(fù)利用，增加了實(shí)驗(yàn)成本，且反應(yīng)現(xiàn)象只能呈現(xiàn)一次，不便于加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解和記憶。本裝置在通入二氧化碳后的實(shí)驗(yàn)步驟和現(xiàn)象可反復(fù)實(shí)現(xiàn)，可提供學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)操作的機(jī)會(huì)，有利于對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的深入理解。

（3） 價(jià)格便宜易制備。改進(jìn)后的一體化實(shí)驗(yàn)裝置為單獨(dú)的玻璃器皿，批量生產(chǎn)后價(jià)格便宜，運(yùn)輸方便，性價(jià)比高。同時(shí)對于條件較為簡陋的部分農(nóng)村地區(qū)，仍存在因鹽酸等危險(xiǎn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)品的缺乏而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程被取消的現(xiàn)象，本改進(jìn)裝置在一次性充入二氧化碳后，僅需加熱、冷卻，即可對部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重復(fù)展示，節(jié)約了鹽酸等危險(xiǎn)化學(xué)品的使用，有利于貧困地區(qū)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的展示，具有一定的推廣性。

（4） 分步教學(xué)強(qiáng)理解。二氧化碳密度較大、二氧化碳不支持燃燒、水能和二氧化碳反應(yīng)、碳酸能使紫色石蕊溶液變紅、碳酸不穩(wěn)定等性質(zhì)，各個(gè)環(huán)節(jié)、每一步驟都以獨(dú)立形式存在，可由授課教師根據(jù)學(xué)生當(dāng)前理解狀態(tài)自由把控，充分與學(xué)生互動(dòng)，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)進(jìn)程太快、操作過于頻繁，導(dǎo)致學(xué)生難以兼顧，來不及思考等問題。教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作——發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象——分析討論——總結(jié)評(píng)價(jià)等步驟由淺及深地?cái)U(kuò)展學(xué)生思維，培養(yǎng)他們勤于思考和科學(xué)推理的方法［2］。

總之，有關(guān)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新沒有止境，實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，目的在于夯實(shí)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)力求裝置簡單、節(jié)約藥品、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、可操作性強(qiáng)、可視化和重復(fù)性強(qiáng)、安全性高，既能減少課前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，又能激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，在探尋最佳方案的基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)［3］。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國教育部制定. 義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學(xué)出版社， 2022.

［2］林曉霞. 乙醇與鈉反應(yīng)的新裝置及教學(xué)實(shí)踐［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022，（9）： 72～74.

［3］閆相友. 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)——以二氧化碳的性質(zhì)探究為例［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022，（4）： 79～83.