探究实验设计十六：
二氧化碳制取的研究
1．化学反应原理：
该实验分为几个部分。
第一部分，根据复习和归纳氧气的实验室制取，总结出气体制备的发生装置与收集装置选择的思路。
第二部分，探究二氧化碳实验室制备装置的选择。实验室制取二氧化碳得用石灰石（或大理石）与稀盐酸在常温下反应。
据此探究二氧化碳制取的装置。首先得有容器，由于该反应不需要加热，该反应的容器有很大的选择范围。为了在反应前固体与液体不接触，可以添加一个加液体的装置（比如长颈漏斗、注射器等），反应不需要加热，故不需要酒精灯等加热的设备。
二氧化碳能溶于水，不宜用排水集气法收集；二氧化碳密度比空气大，可用排上排空气集气法收集。
第三部分：制取二氧化碳。用石灰石和稀盐酸反应，用最简单的装置制取。
2．实验仪器：试管、烧杯、单孔塞、集气瓶、玻璃片等。
实验药品：石灰石（或大理石）、稀盐酸、澄清石灰水等。
3．探究方案：
⑴ 在复习氧气的实验室制法的基础上，归纳出制取气体的发生装置和收集装置选择的思路：
气体的发生装置的选择必须考虑：① 考虑反应物的状态（固态与固态或固态与液态或液态与液态，中学实验中一般不会出现气态与气态物质反应制备气体的情况）；② 考虑反应条件（是常温下反应还是加热条件下反应）。
气体的收集装置的选择由气体的性质决定的。不易溶于水的能用排水集气法收集；密度小于空气且不与空气中任何气体反应的用向下排空气集气法收集，密度比空气大且不与空气中任何成分反应的，用向上排空气集气法收集。
⑵ 探究制取二氧化碳的装置。
在上述分析的基础上，教材引导学生从图16-1中选择仪器，组装成制取二氧化碳的实验室装置。其实可选择的仪器远不止这些。
制取二氧化碳用块状固体石灰石（或大理石）与液体稀盐酸反应，因此必须有容器盛装反应物。反应不需要加热，所以该容器的选择范围很大，几乎所有能用带导管的塞子封闭容器口的都可以选择作为该反应的容器。比如试管、锥形瓶、烧瓶、广口瓶，甚至连日常生活中的各种瓶子。
为了使反应开始准备充分后再收集二氧化碳，就有必要在此之前将反应物石灰石（或大理石）和稀盐酸分开。可在装置中加一长颈漏斗或分分液漏斗。若用长颈漏斗，需插入液面以下进行液封，防止气体从长颈漏斗中逸出。还可以选用注射器等，不赘述。
二氧化碳能溶于水，但溶解性不大，1体积水中仅溶解1体积二氧化碳，且溶解的速度比较慢，完全可以用启普发生器器制取。
图16-2是笔者列举的几例制取二氧化碳的装置。可引导学生开动脑筋，还可以找出很多装置。
⑶ 制取二氧化碳
学生实验可用最简单的装置。
① 检查装置的气密性。装置好装置，用手握住试管，导管另一端插入水中，观察有无气泡产生。
② 在试管内加入适量的石灰石（或大理石），加适量的稀盐酸，塞上带导管的塞子。
③ 用向上排空气法收集气体，用燃着的木条放在集气瓶口试验，若木条熄灭，说明二氧化碳已经收集满。盖上玻璃片，正放在桌面上待用。（如图16-3）
4．探究评价：
⑴ 二氧化碳发生装置的选择是该探究的重点。教材如此安排有利于开发学生的学科能力。教师应引导学生，培养其发散思维，尽可能多地找出发生装置。
⑵ 二氧化碳制取采用上述实验，药品用量少，装置简单，操作方便。但制取的二氧化碳量也少，更换药品很不方便，更不能控制反应的开始与终止。
教师实验可采用如下装置。（如图16-4）
5． 资源开发：
⑴ 原料选择：
用于制取二氧化碳的药品很多，除大理石和石灰石外，还可以选用的有鸡蛋壳、贝壳等。水泥块和陈旧的石灰块也有较好的制取效果，但由于含杂质较多，反应时，容器中会出现大量的黑色泡沫，外观很不好看。
⑵ 仪器选择：
日常生活中的很多容器都可以用作制取二氧化碳的容器，如矿泉水瓶、牛奶瓶等。
⑶ 制取二氧化碳量较多时，可用如图16-5所示装置制取。
取两支无底的废旧试管，将试管口锉平，一去底部塞上带导管的单孔塞，另一支上下都塞上带导管的单孔塞，并用橡皮管将其连接起来，固定在铁架台上。在A管中加入适量的稀盐酸，在B管中加入石灰石（或大理石）。提起A管，使稀盐酸流入B管内，与石灰石接触反应。不用时，可将A管放低，稀盐酸流入A管内，反应停止。
该装置虽然不是利用启普发生器的原理，但也可以控制反应的进行与停止。
6．创新思维：
⑴ 醋酸和纯碱能否用于制取二氧化碳？
不能。
很多资料里都用这种方法作为学生的家庭实验，但笔者做了很多次，效果都很差，反应速率很慢。
⑵ 稀硫酸能否用于制取二氧化碳？
能。
硫酸与块状石灰石或大理石反应时，一开始有大量气泡产生。随着时间的推移，反应速率越来越慢，最后停止。这是由于反应生成了不易溶于水的硫酸钙，阻止了反应的进一步进行。
但若将石灰石（或大理石）研成粉末再与稀硫酸反应，则有理想怕反应速度。若稀硫酸的量足够，可保证石灰石（或大理石）反应完全。这是由于石灰石（或大理石）颗粒小，与稀硫酸有很大的接触面积。
但不可用浓硫酸。硫酸浓度大，含水量少。反应后生成的硫酸钙迅速沉淀，使反应立即停止。
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体积水能溶解1体积二氧化碳。这是理论值，并且是饱和状态下的溶解值。二氧化碳溶解达到饱和的需要多长时间呢？
取一支大试管（或50毫升量筒），用排水法收集满二氧化碳，用大拇指堵住试管口取出试管，再倒插入盛有适量水的烧杯中，静置观察，如图16-6。24 h后，试管内液面可升至试管高度的1／2，3～5天内水可充满整个试管。
由上述实验可以得出结论，虽然二氧化碳能溶于水，但由于溶解速度是，实验室收集二氧化碳完全可以排水集气法收集。当然，这也应视具体情况，若需收集干燥的二氧化碳，还是用排空气法为宜；收集二氧化碳的量较少时，也不宜用排水法。
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