二氧化碳主题学习教案1：二氧化碳制取和性质的微型实验创新设计

二氧化碳制取和性质实验的微型实验创新设计 一、二氧化碳实验的教材及教学分析

人教版初中化学教材《二氧化碳制取的研究》是初中化学一个“有科学价值的研究”的课题，这节课根据实验室中制取二氧化碳的化学反应原理，采用活动与探究的方式来研究实验室中制取二氧化碳的装置，并利用设计的装置制取、收集、检验二氧化碳，同时为后续课题二氧化碳的性质做好了准备。本节教学的一个重要特点是实验装置的开放性，为学生独立思考和实验操作，从简单模仿到有目的选择创造了条件。通过小组内或者小组之间的讨论（甚至辩论）、交流，从教材提供的仪器（先用示意图、仪器模板，最好是实物）中选取适当的仪器进行搭配，来设计、组装多套装置，然后评价每套装置的优缺点，再从中选择一套最佳的设计装置亲自动手实验。本节课成功的一个关键是引导、启发学生在实际操作中理解实验装置的设计和选取。这是初中学生在氧气的制取基础之上，第一次系统地研究和设计一种气体的制备方法的重要教学内容。一方面，学生有氧气的制取和性质实验的经验基础，二氧化碳的实验比氧气的实验更简单和安全；另一方面，教材的编排呈现了开放性的特点，提供了多种仪器供选择，并明确指出：“……你也可以另选或自制仪器，还可以利用代用品”。美中不足的是，教材中紧接着直接呈现了一种制取二氧化碳的装置(这也是经典制气装置之一)[1]供参考。显然，不宜墨守成规，将它作为标准或者唯一的选择，更不能局限于上述装置。在教学实际中，学生经验积累有限，一般会直接根据上述装置图组装、连接仪器，不同之处仅仅是选择不同仪器如锥形瓶、平底烧瓶、试管等分别作为反应容器，是否选择长颈漏斗添加稀盐酸，等等。在思维得到上述装置的引导、暗示和限制，往往很难有所突破。上述表述旨在鼓励创新，如果我们有机会创造条件，在教材实验装置图和常规仪器的基础之上，提供更多、更好的选择，无疑将为本课题的教学带来智慧和创造的火花。另外，学生在学习本课题内容时，已经在第五单元课题3学习了利用化学方程式的简单计算。但在本课题中，设计制取二氧化碳的实验装置时，没有考虑化学反应中“量”的因素。如果能够结合有关计算，在设计实验时融合“定量化”的条件，对于培养学生精确的量的观念，无疑将起到更好的示范作用。微型化学实验是国际公认的一种在微型化的实验条件下进行化学实验的新技术和新方法。微型实验以尽可能少的药品用量来获取最有效的实验信息，相对于常规实验，其特点是：药品用量少（一般为常规量的1/100～1/1000）、仪器容量小、污染减少、操作方便、实验现象直观明显、实验过程快速安全。微型实验具有绿色化和创新性的显著特征，对于突破化学实验中的难点问题，提高实验普1及率，培养学生的创新能力和实践精神，具有独到的教学效果和教育功能，引起世界各国化学教育界的高度重视[2]。“气体实验微型装置”是按照课程标准和教材要求，根据教学实际需要，发明创造的新型综合性多用途成套微型实验仪器，较好地体现了微型实验的上述特点，更具有通用性好、绿色环保、性能稳定可靠等特殊优势，适用于各种与气体有关的实验，特别有利于学生独立实验操作，满足人人动手实验的教学要求，方便了实验教学。创新无止境。受已有研究[4]的启发，利用气体实验微型装置，对该实验进行了再次创新设计，提供了更加完整的实验内容，创设了灵活多变的实验情景，激发了学生的积极思维，提高了实验教学的趣味性，获得了更加丰富的实验信息，取得了更好的实验效果。二、二氧化碳实验及教学的创新设计1.实验原理分析和计算 二氧化碳的制备和性质实验主要涉及以下几个反应：

CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑

CO2+H2O=H2CO3

H2CO3=H2O+CO2↑

CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O

Na2CO3+Ca(OH)2=CaCO3↓+2NaOH

Na2CO3+CaCl2=CaCO3↓+2NaCl

Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑

制取二氧化碳用的是1︰2的稀盐酸，其物质的量浓度约是4mol·L-1。根据化学方程式计算可知，1g碳酸钙和5mL1︰2的稀盐酸反应，生成的二氧化碳在标准状况下的体积约为224mL。以上计算是有必要的，不可忽略，计算的结果有助于我们更精确地设计和把握实验。除了上述化学反应之外，证明二氧化碳的密度比空气大的实验、二氧化碳不能燃烧也不支持燃烧的实验同样重要，也包含在本实验设计之中。 2．实验用品选择和准备

气体实验微型装置中：单球管（2个）、集气管（2个）、烧杯（25mL）、多用滴管、T形管、水止夹、带孔橡胶塞（00号）、橡胶塞（2号）、微型酒精灯、微型实验操作台。 大理石（或石灰石）的细小碎块、稀盐酸（1︰2）、澄清石灰水、氢氧化钠溶液（约20%）、二氧化锰颗粒、过氧化氢溶液（30%）。其他用品：生日蜡烛（带塑料底插，长约4cm）、火柴、剪刀、胶皮管、蒸馏水、蓝色石蕊试纸、细铁丝、镊子、小试管、试管夹、9孔井穴板、十字导管2（自制）。 3．实验装置设计

如图1所示，是利用气体实验微型装置中的单球管、集气管、多用滴管以及烧杯等组装连接而成一套气体的制备和收集的综合实验微型装置。多用滴管和单球管组合成固-液气体发生装置，制取二氧化碳。在这里，多用滴管的下端要插入接触到单球管凹坑的底部，便于控制。生成的气体用向上排气法直接收集在集气管中。 图1二氧化碳的综合实验微型装置

4．实验探究操作步骤

（1）检查装置的气密性

按照图2所示，组装连接仪器，将导管下端插入盛有适量蒸馏水的烧杯中，集气管口塞紧橡胶塞，缓缓挤压多用滴管的吸泡，导管口出现气泡；松开手，导管内形成一段水柱，过一会儿，液面不下降，说明装置不漏气。（2）制取、收集二氧化碳

在单球管中加入约1g碳酸钙颗粒，多用滴管内吸入约4mL稀盐酸，插入单球管的支管内，挤压吸泡不松手，加入稀盐酸，观察到剧烈反应，产生大量气泡。过一会儿，用燃着的火柴伸到集气管管口，如果火焰熄灭，说明集气管中已收集满二氧化碳。松开手，单球管中的液体被吸入到多用滴管内，反应停止。 集气管中收集满二氧化碳后，用橡胶塞塞紧管口，备用。3 图2检查装置的气密性

（3）试验、探究二氧化碳的性质

①二氧化碳使蜡烛熄灭的实验

常规的经典实验，是通过向烧杯中“倾倒二氧化碳”，烧杯中火焰位置高低不同的蜡烛说明二氧化碳的密度比空气大，不能支持燃烧。在图1所示的微型实验装置中，用细铁丝缠绕在较细的生日蜡烛的塑料底座上，点燃，放入烧杯中，用细铁丝上端的弯钩固定好。打开水止夹和橡胶塞，看到蜡烛火焰逐渐熄灭。用燃烧的火柴在集气管中检验，火柴不熄灭。 这是集气管中的二氧化碳转移到了烧杯中，证明二氧化碳的密度比空气大，不能燃烧也不支持燃烧。 二氧化碳使蜡烛火焰熄灭的实验，也可以用下述方法。通过“液封”的方法控制二氧化碳的转移，同样也可以达到实验目的。如图3（1）所示，在烧杯中加入适量水，导管下端插入液面以下。制取二氧化碳，虽然二氧化碳的密度比空气大，但是由于“液封”作用，二氧化碳是用向上排气法收集在集气管中的。把燃烧的小蜡烛放进烧杯中固定好。松开夹子，提升装置，如图3（2）所示，使导管下端脱离液面，这时二氧化碳转移到了烧杯中，蜡烛火焰熄灭。用燃烧的火柴在集气管中检验，火柴不熄灭，说明集气管中已经没有二氧化碳了。 直接在如图3（2）所示的装置中实验时，生成的二氧化碳不能收集在集气管中，而是收集在烧杯中。把燃烧的蜡烛放进烧杯中的时候，蜡烛火焰熄灭。 ②二氧化碳和水的反应

取一条蓝色石蕊试纸，前端用1滴蒸馏水润湿，用镊子夹取插入充满二氧化碳的集气瓶中，过一会儿，看到湿润的前端变红色，干燥的部分不变色。 把这条试纸放进小试管中，在酒精灯火焰上缓缓加热，观察到变红色的部分又逐渐恢复原来的蓝色。4 图3二氧化碳使蜡烛熄灭的实验操作

③二氧化碳和澄清石灰水、氢氧化钠溶液的反应

取一支多用滴管，挤压吸泡，插入澄清石灰水中，吸取约2mL溶液，不要松开手，插入充满二氧化碳的集气管中，慢慢松开，吸取二氧化碳。使多用滴管细径朝上，挤压吸泡，再插入二氧化碳中，慢慢松开，再次吸取二氧化碳。 观察到吸泡中澄清的石灰水变浑浊。按照上述的方法，使二氧化碳和氢氧化钠溶液反应，没有明显实验现象。在9孔井穴板中分别滴入澄清石灰水、制取二氧化碳剩余的“废液”、稀盐酸，然后再分别滴入上述3种溶液中，观察到依次出现白色沉淀、白色沉淀（如果“废液”有盐酸会同时出现白色沉淀和气泡）、气泡。这是二氧化碳与氢氧化钠溶液反应后生成的碳酸钠分别与上述3种溶液发生了反应，验证了反应产物，证明二氧化碳和氢氧化钠溶液发生了反应。 三、二氧化碳和氧气性质实验的比较

图1所示的实验装置实际上是一种通用的微型制气装置，固体和液体反应，生成的气体密度比空气大，这样的气体实验都可以在这个装置中完成。如果用二氧化锰催化分解过氧化氢溶液的方法制取氧气，那么制取二氧化碳和制取氧气的原理是相似的，可以选择同样的装置。二氧化碳不能燃烧也不支持燃烧，氧气可以支持燃烧，二者的性质又是“相反”的。为了便于比较二氧化碳和氧气的制取和性质，增加实验的趣味，设计了如图4的实验装置。 在这个装置中，既可以制取二氧化碳，又可以制取氧气，并且能够通过蜡烛的燃烧来研究二者的性质，现象对比非常明显。 如图4所示，首先制取氧气，在集气管口用带火星的木条验满。然后，打开水止夹，集气管中的氧气“流入”到烧杯中，蜡烛燃烧剧烈，发出更强的白光。5 图4二氧化碳和氧气实验的比较

关闭水止夹，继续制取氧气并验满。然后，制取二氧化碳，过一会儿，用燃烧的火柴在集气管口检验，火焰熄灭。打开水止夹，烧杯中燃烧的蜡烛火焰熄灭。参考文献

[1]王晶，郑长龙.义务教育教科书：化学（九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012:113-126