二氧化碳主題學(xué)習(xí)教案1：二氧化碳制取和性質(zhì)的微型實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

二氧化碳制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的微型實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì) 一、二氧化碳實(shí)驗(yàn)的教材及教學(xué)分析

人教版初中化學(xué)教材《二氧化碳制取的研究》是初中化學(xué)一個(gè)“有科學(xué)價(jià)值的研究”的課題，這節(jié)課根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中制取二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)原理，采用活動(dòng)與探究的方式來(lái)研究實(shí)驗(yàn)室中制取二氧化碳的裝置，并利用設(shè)計(jì)的裝置制取、收集、檢驗(yàn)二氧化碳，同時(shí)為后續(xù)課題二氧化碳的性質(zhì)做好了準(zhǔn)備。本節(jié)教學(xué)的一個(gè)重要特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)裝置的開(kāi)放性，為學(xué)生獨(dú)立思考和實(shí)驗(yàn)操作，從簡(jiǎn)單模仿到有目的選擇創(chuàng)造了條件。通過(guò)小組內(nèi)或者小組之間的討論（甚至辯論）、交流，從教材提供的儀器（先用示意圖、儀器模板，最好是實(shí)物）中選取適當(dāng)?shù)膬x器進(jìn)行搭配，來(lái)設(shè)計(jì)、組裝多套裝置，然后評(píng)價(jià)每套裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，再?gòu)闹羞x擇一套最佳的設(shè)計(jì)裝置親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。本節(jié)課成功的一個(gè)關(guān)鍵是引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生在實(shí)際操作中理解實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和選取。這是初中學(xué)生在氧氣的制取基礎(chǔ)之上，第一次系統(tǒng)地研究和設(shè)計(jì)一種氣體的制備方法的重要教學(xué)內(nèi)容。一方面，學(xué)生有氧氣的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，二氧化碳的實(shí)驗(yàn)比氧氣的實(shí)驗(yàn)更簡(jiǎn)單和安全；另一方面，教材的編排呈現(xiàn)了開(kāi)放性的特點(diǎn)，提供了多種儀器供選擇，并明確指出：“……你也可以另選或自制儀器，還可以利用代用品”。美中不足的是，教材中緊接著直接呈現(xiàn)了一種制取二氧化碳的裝置(這也是經(jīng)典制氣裝置之一)[1]供參考。顯然，不宜墨守成規(guī)，將它作為標(biāo)準(zhǔn)或者唯一的選擇，更不能局限于上述裝置。在教學(xué)實(shí)際中，學(xué)生經(jīng)驗(yàn)積累有限，一般會(huì)直接根據(jù)上述裝置圖組裝、連接儀器，不同之處僅僅是選擇不同儀器如錐形瓶、平底燒瓶、試管等分別作為反應(yīng)容器，是否選擇長(zhǎng)頸漏斗添加稀鹽酸，等等。在思維得到上述裝置的引導(dǎo)、暗示和限制，往往很難有所突破。上述表述旨在鼓勵(lì)創(chuàng)新，如果我們有機(jī)會(huì)創(chuàng)造條件，在教材實(shí)驗(yàn)裝置圖和常規(guī)儀器的基礎(chǔ)之上，提供更多、更好的選擇，無(wú)疑將為本課題的教學(xué)帶來(lái)智慧和創(chuàng)造的火花。另外，學(xué)生在學(xué)習(xí)本課題內(nèi)容時(shí)，已經(jīng)在第五單元課題3學(xué)習(xí)了利用化學(xué)方程式的簡(jiǎn)單計(jì)算。但在本課題中，設(shè)計(jì)制取二氧化碳的實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，沒(méi)有考慮化學(xué)反應(yīng)中“量”的因素。如果能夠結(jié)合有關(guān)計(jì)算，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)融合“定量化”的條件，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生精確的量的觀念，無(wú)疑將起到更好的示范作用。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)是國(guó)際公認(rèn)的一種在微型化的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的新技術(shù)和新方法。微型實(shí)驗(yàn)以盡可能少的藥品用量來(lái)獲取最有效的實(shí)驗(yàn)信息，相對(duì)于常規(guī)實(shí)驗(yàn)，其特點(diǎn)是：藥品用量少（一般為常規(guī)量的1/100～1/1000）、儀器容量小、污染減少、操作方便、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明顯、實(shí)驗(yàn)過(guò)程快速安全。微型實(shí)驗(yàn)具有綠色化和創(chuàng)新性的顯著特征，對(duì)于突破化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)問(wèn)題，提高實(shí)驗(yàn)普1及率，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐精神，具有獨(dú)到的教學(xué)效果和教育功能，引起世界各國(guó)化學(xué)教育界的高度重視[2]。“氣體實(shí)驗(yàn)微型裝置”是按照課程標(biāo)準(zhǔn)和教材要求，根據(jù)教學(xué)實(shí)際需要，發(fā)明創(chuàng)造的新型綜合性多用途成套微型實(shí)驗(yàn)儀器，較好地體現(xiàn)了微型實(shí)驗(yàn)的上述特點(diǎn)，更具有通用性好、綠色環(huán)保、性能穩(wěn)定可靠等特殊優(yōu)勢(shì)，適用于各種與氣體有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，特別有利于學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)操作，滿足人人動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求，方便了實(shí)驗(yàn)教學(xué)。創(chuàng)新無(wú)止境。受已有研究[4]的啟發(fā)，利用氣體實(shí)驗(yàn)微型裝置，對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了再次創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提供了更加完整的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)了靈活多變的實(shí)驗(yàn)情景，激發(fā)了學(xué)生的積極思維，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性，獲得了更加豐富的實(shí)驗(yàn)信息，取得了更好的實(shí)驗(yàn)效果。二、二氧化碳實(shí)驗(yàn)及教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)1.實(shí)驗(yàn)原理分析和計(jì)算 二氧化碳的制備和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)主要涉及以下幾個(gè)反應(yīng)：

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的稀鹽酸，其物質(zhì)的量濃度約是4mol·L-1。根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算可知，1g碳酸鈣和5mL1︰2的稀鹽酸反應(yīng)，生成的二氧化碳在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積約為224mL。以上計(jì)算是有必要的，不可忽略，計(jì)算的結(jié)果有助于我們更精確地設(shè)計(jì)和把握實(shí)驗(yàn)。除了上述化學(xué)反應(yīng)之外，證明二氧化碳的密度比空氣大的實(shí)驗(yàn)、二氧化碳不能燃燒也不支持燃燒的實(shí)驗(yàn)同樣重要，也包含在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之中。 2．實(shí)驗(yàn)用品選擇和準(zhǔn)備

氣體實(shí)驗(yàn)微型裝置中：?jiǎn)吻蚬埽?個(gè)）、集氣管（2個(gè)）、燒杯（25mL）、多用滴管、T形管、水止夾、帶孔橡膠塞（00號(hào)）、橡膠塞（2號(hào)）、微型酒精燈、微型實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)。 大理石（或石灰石）的細(xì)小碎塊、稀鹽酸（1︰2）、澄清石灰水、氫氧化鈉溶液（約20%）、二氧化錳顆粒、過(guò)氧化氫溶液（30%）。其他用品：生日蠟燭（帶塑料底插，長(zhǎng)約4cm）、火柴、剪刀、膠皮管、蒸餾水、藍(lán)色石蕊試紙、細(xì)鐵絲、鑷子、小試管、試管夾、9孔井穴板、十字導(dǎo)管2（自制）。 3．實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

如圖1所示，是利用氣體實(shí)驗(yàn)微型裝置中的單球管、集氣管、多用滴管以及燒杯等組裝連接而成一套氣體的制備和收集的綜合實(shí)驗(yàn)微型裝置。多用滴管和單球管組合成固-液氣體發(fā)生裝置，制取二氧化碳。在這里，多用滴管的下端要插入接觸到單球管凹坑的底部，便于控制。生成的氣體用向上排氣法直接收集在集氣管中。 圖1二氧化碳的綜合實(shí)驗(yàn)微型裝置

4．實(shí)驗(yàn)探究操作步驟

（1）檢查裝置的氣密性

按照?qǐng)D2所示，組裝連接儀器，將導(dǎo)管下端插入盛有適量蒸餾水的燒杯中，集氣管口塞緊橡膠塞，緩緩擠壓多用滴管的吸泡，導(dǎo)管口出現(xiàn)氣泡；松開(kāi)手，導(dǎo)管內(nèi)形成一段水柱，過(guò)一會(huì)兒，液面不下降，說(shuō)明裝置不漏氣。（2）制取、收集二氧化碳

在單球管中加入約1g碳酸鈣顆粒，多用滴管內(nèi)吸入約4mL稀鹽酸，插入單球管的支管內(nèi)，擠壓吸泡不松手，加入稀鹽酸，觀察到劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣泡。過(guò)一會(huì)兒，用燃著的火柴伸到集氣管管口，如果火焰熄滅，說(shuō)明集氣管中已收集滿二氧化碳。松開(kāi)手，單球管中的液體被吸入到多用滴管內(nèi)，反應(yīng)停止。 集氣管中收集滿二氧化碳后，用橡膠塞塞緊管口，備用。3 圖2檢查裝置的氣密性

（3）試驗(yàn)、探究二氧化碳的性質(zhì)

①二氧化碳使蠟燭熄滅的實(shí)驗(yàn)

常規(guī)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，是通過(guò)向燒杯中“傾倒二氧化碳”，燒杯中火焰位置高低不同的蠟燭說(shuō)明二氧化碳的密度比空氣大，不能支持燃燒。在圖1所示的微型實(shí)驗(yàn)裝置中，用細(xì)鐵絲纏繞在較細(xì)的生日蠟燭的塑料底座上，點(diǎn)燃，放入燒杯中，用細(xì)鐵絲上端的彎鉤固定好。打開(kāi)水止夾和橡膠塞，看到蠟燭火焰逐漸熄滅。用燃燒的火柴在集氣管中檢驗(yàn)，火柴不熄滅。 這是集氣管中的二氧化碳轉(zhuǎn)移到了燒杯中，證明二氧化碳的密度比空氣大，不能燃燒也不支持燃燒。 二氧化碳使蠟燭火焰熄滅的實(shí)驗(yàn)，也可以用下述方法。通過(guò)“液封”的方法控制二氧化碳的轉(zhuǎn)移，同樣也可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。如圖3（1）所示，在燒杯中加入適量水，導(dǎo)管下端插入液面以下。制取二氧化碳，雖然二氧化碳的密度比空氣大，但是由于“液封”作用，二氧化碳是用向上排氣法收集在集氣管中的。把燃燒的小蠟燭放進(jìn)燒杯中固定好。松開(kāi)夾子，提升裝置，如圖3（2）所示，使導(dǎo)管下端脫離液面，這時(shí)二氧化碳轉(zhuǎn)移到了燒杯中，蠟燭火焰熄滅。用燃燒的火柴在集氣管中檢驗(yàn)，火柴不熄滅，說(shuō)明集氣管中已經(jīng)沒(méi)有二氧化碳了。 直接在如圖3（2）所示的裝置中實(shí)驗(yàn)時(shí)，生成的二氧化碳不能收集在集氣管中，而是收集在燒杯中。把燃燒的蠟燭放進(jìn)燒杯中的時(shí)候，蠟燭火焰熄滅。 ②二氧化碳和水的反應(yīng)

取一條藍(lán)色石蕊試紙，前端用1滴蒸餾水潤(rùn)濕，用鑷子夾取插入充滿二氧化碳的集氣瓶中，過(guò)一會(huì)兒，看到濕潤(rùn)的前端變紅色，干燥的部分不變色。 把這條試紙放進(jìn)小試管中，在酒精燈火焰上緩緩加熱，觀察到變紅色的部分又逐漸恢復(fù)原來(lái)的藍(lán)色。4 圖3二氧化碳使蠟燭熄滅的實(shí)驗(yàn)操作

③二氧化碳和澄清石灰水、氫氧化鈉溶液的反應(yīng)

取一支多用滴管，擠壓吸泡，插入澄清石灰水中，吸取約2mL溶液，不要松開(kāi)手，插入充滿二氧化碳的集氣管中，慢慢松開(kāi)，吸取二氧化碳。使多用滴管細(xì)徑朝上，擠壓吸泡，再插入二氧化碳中，慢慢松開(kāi)，再次吸取二氧化碳。 觀察到吸泡中澄清的石灰水變渾濁。按照上述的方法，使二氧化碳和氫氧化鈉溶液反應(yīng)，沒(méi)有明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在9孔井穴板中分別滴入澄清石灰水、制取二氧化碳剩余的“廢液”、稀鹽酸，然后再分別滴入上述3種溶液中，觀察到依次出現(xiàn)白色沉淀、白色沉淀（如果“廢液”有鹽酸會(huì)同時(shí)出現(xiàn)白色沉淀和氣泡）、氣泡。這是二氧化碳與氫氧化鈉溶液反應(yīng)后生成的碳酸鈉分別與上述3種溶液發(fā)生了反應(yīng)，驗(yàn)證了反應(yīng)產(chǎn)物，證明二氧化碳和氫氧化鈉溶液發(fā)生了反應(yīng)。 三、二氧化碳和氧氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的比較

圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)際上是一種通用的微型制氣裝置，固體和液體反應(yīng)，生成的氣體密度比空氣大，這樣的氣體實(shí)驗(yàn)都可以在這個(gè)裝置中完成。如果用二氧化錳催化分解過(guò)氧化氫溶液的方法制取氧氣，那么制取二氧化碳和制取氧氣的原理是相似的，可以選擇同樣的裝置。二氧化碳不能燃燒也不支持燃燒，氧氣可以支持燃燒，二者的性質(zhì)又是“相反”的。為了便于比較二氧化碳和氧氣的制取和性質(zhì)，增加實(shí)驗(yàn)的趣味，設(shè)計(jì)了如圖4的實(shí)驗(yàn)裝置。 在這個(gè)裝置中，既可以制取二氧化碳，又可以制取氧氣，并且能夠通過(guò)蠟燭的燃燒來(lái)研究二者的性質(zhì)，現(xiàn)象對(duì)比非常明顯。 如圖4所示，首先制取氧氣，在集氣管口用帶火星的木條驗(yàn)滿。然后，打開(kāi)水止夾，集氣管中的氧氣“流入”到燒杯中，蠟燭燃燒劇烈，發(fā)出更強(qiáng)的白光。5 圖4二氧化碳和氧氣實(shí)驗(yàn)的比較

關(guān)閉水止夾，繼續(xù)制取氧氣并驗(yàn)滿。然后，制取二氧化碳，過(guò)一會(huì)兒，用燃燒的火柴在集氣管口檢驗(yàn)，火焰熄滅。打開(kāi)水止夾，燒杯中燃燒的蠟燭火焰熄滅。參考文獻(xiàn)

[1]王晶，鄭長(zhǎng)龍.義務(wù)教育教科書：化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社，2012:113-126