初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之二氧化碳制取的研究
1．化學(xué)反應(yīng)原理：
該實(shí)驗(yàn)分為幾個(gè)部分。
第一部分，根據(jù)復(fù)習(xí)和歸納氧氣的實(shí)驗(yàn)室制取，總結(jié)出氣體制備的發(fā)生裝置與收集裝置選擇的思路。
第二部分，探究二氧化碳實(shí)驗(yàn)室制備裝置的選擇。實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳得用石灰石（或大理石）與稀鹽酸在常溫下反應(yīng)。
據(jù)此探究二氧化碳制取的裝置。首先得有容器，由于該反應(yīng)不需要加熱，該反應(yīng)的容器有很大的選擇范圍。為了在反應(yīng)前固體與液體不接觸，可以添加一個(gè)加液體的裝置（比如長(zhǎng)頸漏斗、注射器等），反應(yīng)不需要加熱，故不需要酒精燈等加熱的設(shè)備。
二氧化碳能溶于水，不宜用排水集氣法收集；二氧化碳密度比空氣大，可用排上排空氣集氣法收集。
第三部分：制取二氧化碳。用石灰石和稀鹽酸反應(yīng)，用最簡(jiǎn)單的裝置制取。
2．實(shí)驗(yàn)儀器：試管、燒杯、單孔塞、集氣瓶、玻璃片等。
實(shí)驗(yàn)藥品：石灰石（或大理石）、稀鹽酸、澄清石灰水等。
3．探究方案：
⑴在復(fù)習(xí)氧氣的實(shí)驗(yàn)室制法的基礎(chǔ)上，歸納出制取氣體的發(fā)生裝置和收集裝置選擇的思路：
氣體的發(fā)生裝置的選擇必須考慮：①考慮反應(yīng)物的狀態(tài)（固態(tài)與固態(tài)或固態(tài)與液態(tài)或液態(tài)與液態(tài)，中學(xué)實(shí)驗(yàn)中一般不會(huì)出現(xiàn)氣態(tài)與氣態(tài)物質(zhì)反應(yīng)制備氣體的情況）；②考慮反應(yīng)條件（是常溫下反應(yīng)還是加熱條件下反應(yīng)）。
氣體的收集裝置的選擇由氣體的性質(zhì)決定的。不易溶于水的能用排水集氣法收集；密度小于空氣且不與空氣中任何氣體反應(yīng)的用向下排空氣集氣法收集，密度比空氣大且不與空氣中任何成分反應(yīng)的，用向上排空氣集氣法收集。
⑵探究制取二氧化碳的裝置。
在上述分析的基礎(chǔ)上，教材引導(dǎo)學(xué)生從圖16-1中選擇儀器，組裝成制取二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室裝置。其實(shí)可選擇的儀器遠(yuǎn)不止這些。
制取二氧化碳用塊狀固體石灰石（或大理石）與液體稀鹽酸反應(yīng)，因此必須有容器盛裝反應(yīng)物。反應(yīng)不需要加熱，所以該容器的選擇范圍很大，幾乎所有能用帶導(dǎo)管的塞子封閉容器口的都可以選擇作為該反應(yīng)的容器。比如試管、錐形瓶、燒瓶、廣口瓶，甚至連日常生活中的各種瓶子。
為了使反應(yīng)開始準(zhǔn)備充分后再收集二氧化碳，就有必要在此之前將反應(yīng)物石灰石（或大理石）和稀鹽酸分開。可在裝置中加一長(zhǎng)頸漏斗或分分液漏斗。若用長(zhǎng)頸漏斗，需插入液面以下進(jìn)行液封，防止氣體從長(zhǎng)頸漏斗中逸出。還可以選用注射器等，不贅述。
二氧化碳能溶于水，但溶解性不大，1體積水中僅溶解1體積二氧化碳，且溶解的速度比較慢，完全可以用啟普發(fā)生器器制取。
圖16-2是筆者列舉的幾例制取二氧化碳的裝置。可引導(dǎo)學(xué)生開動(dòng)腦筋，還可以找出很多裝置。
⑶制取二氧化碳
學(xué)生實(shí)驗(yàn)可用最簡(jiǎn)單的裝置。
①檢查裝置的氣密性。裝置好裝置，用手握住試管，導(dǎo)管另一端插入水中，觀察有無(wú)氣泡產(chǎn)生。
②在試管內(nèi)加入適量的石灰石（或大理石），加適量的稀鹽酸，塞上帶導(dǎo)管的塞子。
③用向上排空氣法收集氣體，用燃著的木條放在集氣瓶口試驗(yàn)，若木條熄滅，說(shuō)明二氧化碳已經(jīng)收集滿。蓋上玻璃片，正放在桌面上待用。（如圖16-3）
4．探究評(píng)價(jià)：
⑴二氧化碳發(fā)生裝置的選擇是該探究的重點(diǎn)。教材如此安排有利于開發(fā)學(xué)生的學(xué)科能力。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生，培養(yǎng)其發(fā)散思維，盡可能多地找出發(fā)生裝置。
⑵二氧化碳制取采用上述實(shí)驗(yàn)，藥品用量少，裝置簡(jiǎn)單，操作方便。但制取的二氧化碳量也少，更換藥品很不方便，更不能控制反應(yīng)的開始與終止。
教師實(shí)驗(yàn)可采用如下裝置。（如圖16-4）
5．資源開發(fā)：
⑴原料選擇：
用于制取二氧化碳的藥品很多，除大理石和石灰石外，還可以選用的有雞蛋殼、貝殼等。水泥塊和陳舊的石灰塊也有較好的制取效果，但由于含雜質(zhì)較多，反應(yīng)時(shí)，容器中會(huì)出現(xiàn)大量的黑色泡沫，外觀很不好看。
⑵儀器選擇：
日常生活中的很多容器都可以用作制取二氧化碳的容器，如礦泉水瓶、牛奶瓶等。
⑶制取二氧化碳量較多時(shí)，可用如圖16-5所示裝置制取。
取兩支無(wú)底的廢舊試管，將試管口銼平，一去底部塞上帶導(dǎo)管的單孔塞，另一支上下都塞上帶導(dǎo)管的單孔塞，并用橡皮管將其連接起來(lái)，固定在鐵架臺(tái)上。在A管中加入適量的稀鹽酸，在B管中加入石灰石（或大理石）。提起A管，使稀鹽酸流入B管內(nèi)，與石灰石接觸反應(yīng)。不用時(shí)，可將A管放低，稀鹽酸流入A管內(nèi)，反應(yīng)停止。
該裝置雖然不是利用啟普發(fā)生器的原理，但也可以控制反應(yīng)的進(jìn)行與停止。
6．創(chuàng)新思維：
⑴醋酸和純堿能否用于制取二氧化碳？
不能。
很多資料里都用這種方法作為學(xué)生的家庭實(shí)驗(yàn)，但筆者做了很多次，效果都很差，反應(yīng)速率很慢。
⑵稀硫酸能否用于制取二氧化碳？
能。
硫酸與塊狀石灰石或大理石反應(yīng)時(shí)，一開始有大量氣泡產(chǎn)生。隨著時(shí)間的推移，反應(yīng)速率越來(lái)越慢，最后停止。這是由于反應(yīng)生成了不易溶于水的硫酸鈣，阻止了反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。
但若將石灰石（或大理石）研成粉末再與稀硫酸反應(yīng)，則有理想怕反應(yīng)速度。若稀硫酸的量足夠，可保證石灰石（或大理石）反應(yīng)完全。這是由于石灰石（或大理石）顆粒小，與稀硫酸有很大的接觸面積。
但不可用濃硫酸。硫酸濃度大，含水量少。反應(yīng)后生成的硫酸鈣迅速沉淀，使反應(yīng)立即停止。
⑶能否用排水法收集二氧化碳？
二氧化碳能溶于水，在1atm下，1體積水能溶解1體積二氧化碳。這是理論值，并且是飽和狀態(tài)下的溶解值。二氧化碳溶解達(dá)到飽和的需要多長(zhǎng)時(shí)間呢？
取一支大試管（或50毫升量筒），用排水法收集滿二氧化碳，用大拇指堵住試管口取出試管，再倒插入盛有適量水的燒杯中，靜置觀察，如圖16-6。24h后，試管內(nèi)液面可升至試管高度的1／2，3～5天內(nèi)水可充滿整個(gè)試管。
由上述實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論，雖然二氧化碳能溶于水，但由于溶解速度是，實(shí)驗(yàn)室收集二氧化碳完全可以排水集氣法收集。當(dāng)然，這也應(yīng)視具體情況，若需收集干燥的二氧化碳，還是用排空氣法為宜；收集二氧化碳的量較少時(shí)，也不宜用排水法
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