陳崇琳 張曉慧 李潔瓊 高和軍 廖運(yùn)文

西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院(637000) 西華師范大學(xué)教育學(xué)院(637000) 四川省宜賓市敘州區(qū)第二中學(xué)校(644600) 西華師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院(637000)

1 問(wèn)題的提出

“二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制取和性質(zhì)”是課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8個(gè)基礎(chǔ)學(xué)生實(shí)驗(yàn)之一[1],也是初中化學(xué)的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容。人教版9年級(jí)化學(xué)教材第6單元課題3對(duì)二氧化碳的性質(zhì)進(jìn)行探究[2],教材對(duì)二氧化碳的系列性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)步驟作出描述,但是教師在課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示時(shí),時(shí)常出現(xiàn)許多問(wèn)題。例如,教材第117頁(yè)“傾倒二氧化碳”實(shí)驗(yàn)中,將二氧化碳倒入燒杯時(shí),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(xué)效果;教材第118頁(yè)用石蕊紙花、醋酸、水、二氧化碳組合反應(yīng)來(lái)探究二氧化碳與水反應(yīng)的性質(zhì),教師需進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備,操作繁瑣且費(fèi)時(shí)。以上實(shí)驗(yàn)探究不僅藥品消耗量大,還存在實(shí)驗(yàn)易失敗、操作繁瑣、演示時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題。

針對(duì)教材實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題,不少研究者對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置或藥品進(jìn)行了改進(jìn)研究:趙雅萍[3]用紙巢作軌道進(jìn)行二氧化碳滅火的階梯實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)趣味性強(qiáng);胡巢生[4]通過(guò)改裝的燃燒匙對(duì)二氧化碳的滅火實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn);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(shí)驗(yàn)和二氧化碳與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)合;謝丹敏[7]利用自制二氧化碳儲(chǔ)存罐和具支試管制作裝置,將二氧化碳的制取與性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一體化改進(jìn),節(jié)省了二氧化碳的制取與收集時(shí)間。以上改進(jìn)實(shí)驗(yàn)在二氧化碳的某一性質(zhì)檢驗(yàn)中取得良好的效果,但是還存在自制裝置復(fù)雜、改裝困難等問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)思路

基于以上研究者的改進(jìn)基礎(chǔ)和對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的分析,整合實(shí)驗(yàn)將選用實(shí)驗(yàn)室易得的原料與器材,繼續(xù)對(duì)二氧化碳的性質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行一體化設(shè)計(jì):

(1)甄曉敏在二氧化碳制取和性質(zhì)“一鍋化”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[8]中,將酚酞滴入澄清石灰水,再通入二氧化碳,觀(guān)察到紅色澄清石灰水逐漸變無(wú)色,同時(shí),溶液逐漸變渾濁,該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)啟發(fā),一體化實(shí)驗(yàn)將使用自制酚酞-澄清石灰水試紙與二氧化碳反應(yīng),通過(guò)觀(guān)察自制紅色酚酞-澄清石灰水試紙顏色變化的位置,驗(yàn)證二氧化碳的密度比空氣大。一體化實(shí)驗(yàn)用該步驟替代二氧化碳滅火實(shí)驗(yàn)。

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

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

3 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

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

藥品:二氧化碳、藍(lán)色石蕊試紙、酚酞、澄清石灰水、蒸餾水。

4 實(shí)驗(yàn)原理

二氧化碳的性質(zhì):

(1)物理性質(zhì):密度比空氣大。

(2)化學(xué)性質(zhì):①不可燃燒、一般情況下不具有助燃性;②易溶于水且會(huì)與水發(fā)生反應(yīng),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(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 二氧化碳性質(zhì)檢驗(yàn)一體化實(shí)驗(yàn)裝置

6 二氧化碳性質(zhì)檢驗(yàn)一體化

如圖1所示實(shí)驗(yàn)安裝二氧化碳性質(zhì)檢驗(yàn)一體化實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)離支口一側(cè)的內(nèi)壁，同時(shí)貼上干燥的藍(lán)色石蕊試紙和的藍(lán)色石蕊試紙，將二氧化碳通入具支試管中。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后,觀(guān)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(wú)色(見(jiàn)圖2)。由于二氧化碳能與澄清石灰水反應(yīng),使澄清石灰水堿性變?nèi)?因此能觀(guān)察到自制酚酞-澄清石灰水試紙紅色變淺最后變?yōu)闊o(wú)色;同時(shí)自制酚酞-澄清石灰水試紙顏色變化是從下到上,說(shuō)明二氧化碳的密度比空氣大。通過(guò)自制酚酞-澄清石灰水試紙顏色變化的位置可驗(yàn)證二氧化碳的密度比空氣大。

將點(diǎn)燃的火柴伸入具支試管中,火柴熄滅,驗(yàn)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(rùn)的藍(lán)色石蕊試紙變紅,干燥的藍(lán)色石蕊試紙無(wú)明顯變化,圖3(a)中濕潤(rùn)未接觸二氧化碳的藍(lán)色石蕊試紙也無(wú)明顯變化,說(shuō)明二氧化碳能與水發(fā)生反應(yīng),且反應(yīng)后生成的物質(zhì)呈酸性,該物質(zhì)能使?jié)駶?rùn)的藍(lán)色石蕊試紙變紅。

停止通入二氧化碳,點(diǎn)燃酒精燈加熱具支試管,觀(guān)察到濕潤(rùn)的藍(lán)色石蕊試紙由紅色變?yōu)樗{(lán)色,見(jiàn)圖3(c),說(shuō)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(shí)驗(yàn)說(shuō)明

制作酚酞-澄清石灰水試紙時(shí),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(yàn)二氧化碳的密度時(shí),雖然向貼有濕潤(rùn)藍(lán)色石蕊試紙的具支試管中通入二氧化碳也能觀(guān)察到藍(lán)色石蕊試紙的顏色從下到上由藍(lán)色變?yōu)闇\紅色,并得出二氧化碳的密度比空氣密度大的結(jié)論,但是由于濕潤(rùn)的藍(lán)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(shí)驗(yàn)中選用自制酚酞-澄清石灰水試紙?zhí)骄慷趸济芏鹊膶?shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

8 一體化裝置的優(yōu)點(diǎn)

(1)在具支試管中同時(shí)放入干燥藍(lán)色石蕊試紙、濕潤(rùn)藍(lán)色石蕊試紙和自制紅色酚酞-澄清石灰水試紙,可檢驗(yàn)二氧化碳的密度、可燃性與助燃性、能與水反應(yīng)、碳酸的酸性和不穩(wěn)定性等,同一個(gè)裝置可以對(duì)二氧化碳的多個(gè)性質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)。

(2)實(shí)驗(yàn)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(lái)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)易失敗的問(wèn)題。

(3)實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)易,不用對(duì)器材進(jìn)行改裝即可使用。

(4)實(shí)驗(yàn)藥品與器材易得,實(shí)驗(yàn)所使用的藍(lán)色石蕊試紙、酚酞、酒精燈、火柴等在實(shí)驗(yàn)室即可找到,使用的具支試管(40 mm×150 mm)也可在網(wǎng)上進(jìn)行購(gòu)買(mǎi),經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,解決了改裝裝置器材不常見(jiàn)的問(wèn)題,有利于實(shí)驗(yàn)的普及。

(5)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、節(jié)約藥品。一體化實(shí)驗(yàn)裝置解決了二氧化碳性質(zhì)檢驗(yàn)過(guò)程中操作繁瑣費(fèi)時(shí)、藥品消耗量大的問(wèn)題。

9 結(jié)論

“二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制取和性質(zhì)”是初中化學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn),對(duì)二氧化碳的制取和性質(zhì)檢驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí),有利于鞏固舊知識(shí)——碳的單質(zhì),也有利于學(xué)習(xí)新知識(shí)——為酸堿鹽的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ),還能培養(yǎng)學(xué)生將理論與實(shí)際生活相聯(lián)系的能力。同時(shí),“二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制取和性質(zhì)”也是課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8個(gè)基礎(chǔ)學(xué)生實(shí)驗(yàn)之一,由于該課題涉及的實(shí)驗(yàn)較多、操作繁瑣費(fèi)時(shí)、藥品消耗量大、滅火實(shí)驗(yàn)成功率不高,教師在教學(xué)過(guò)程中多選擇以實(shí)驗(yàn)視頻代替課堂實(shí)驗(yàn),學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)難以有參與感,會(huì)影響教師的教學(xué)效果。該一體化實(shí)驗(yàn)裝置具有操作簡(jiǎn)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(diǎn),便于廣大教師借鑒參考,提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。