探究实验设计十七：
二氧化碳性质的探究
1．化学反应原理：
⑴ 一般情况下，二氧化碳不能燃烧也不能支持燃烧，二氧化碳的密度比空气大，是空气密度的1.5倍，故二氧化碳可以灭火。将二氧化碳倾倒入盛有高低不同的两支蜡烛的烧杯中，可见蜡烛由下而上依次熄灭。
⑵ 二氧化碳能溶于水。在集满二氧化碳的塑料瓶中，加入水振荡，二氧化碳溶解，致瓶内压强变小而出现内陷现象。
⑶ 二氧化碳能和水反应，生成碳酸。
碳酸能使湿润的紫色石蕊试纸变红色。
碳酸很不稳定，受热或浓度较高时易分解。
将变红色的石蕊试纸加热，试纸又变成紫色。
⑷ 二氧化碳与石灰水中的氢氧化钙反应，生成难溶性的碳酸钙而使溶液变浑浊。这是室验室检验二氧化碳的常用方法。
2．实验仪器：烧杯、塑料瓶、集气瓶、喷壶、试管等。
实验药品：二氧化碳、蜡烛、石蕊试纸、水、新配制的澄清石灰水等。
3．探究方案：
⑴ 用铁片弯成一个小阶梯，用酒精灯稍加热。将两支长短相同的蜡烛趁热按在铁片上，待冷却后，蜡烛即固定在铁片上了。将此置于烧杯中。手握集气瓶，将其中新收集的二氧化碳顺烧杯壁缓缓倾倒入烧杯同，可看到小蜡烛由下而上熄灭。如图17-1。由此说明二氧化碳不能燃烧也不能支持燃烧，密度比空气大。
做此实验时，收集的二氧化碳要尽可能满，尽可能纯净。集气瓶用较大的为宜。倾倒时要沿杯壁往下倒，太快上下蜡烛一道熄灭，太慢，下面的蜡烛熄灭了，上面的蜡烛还会继续燃烧。教师最好事先做几次，体验一下倾倒速度。以保证实验的成功。
⑵ 用塑料瓶收集一瓶二氧化碳，倒入约三分之一体积的水，立即旋紧瓶盖，振荡。观察到塑料内陷。如图17-2。证明二氧化碳能溶于水。
⑶ 用吸水性较好且有一度强度的纸折四朵小花，将其完全浸入石蕊试液中，取出晾干后，再浸入石蕊试液中，取出晾干。直到纸花变成明显的紫色为止。
向第一朵小花上喷稀醋酸（或稀盐酸等），纸花变红色。说明石蕊试液遇酸变红色；
向第二朵小花喷水，纸花不变色。说明水不能使石蕊变红色；
将第三朵纸花放入集满二氧化碳的集气瓶中。纸花也不变色，说明二氧化碳不能使石蕊变色。
第四朵纸花先喷水湿润，再放入集满二氧化碳的集气瓶中。纸花变红色。说明此时有酸存在，是二氧化碳与水反应的产物碳酸，如图17-3。
取出第一朵和第四朵变色的纸花，分别放在酒精灯火焰上加热。第一朵纸花不变色，第四朵纸花变紫色。由此说明碳酸不稳定，遇热分解。
⑷ 在试管中取5 mL左右的澄清石灰水，通入二氧化碳，石灰水变浑浊。
4．探究评价：
⑴ 倾倒二氧化碳的实验需要有一定的经验，不易成功。该实验烧杯容积要适当，过小，倒入的二氧化碳很快充满整个烧杯，导致上下蜡烛几乎同时熄灭。烧杯太大，二氧化碳量不足，下层蜡烛熄灭而上层蜡烛继续燃烧。烧杯宜以150 mL，集气瓶用250 mL为宜。
⑵ 证明二氧化碳溶解性实验效果明显，操作简便，效果很好。
⑶ 二氧化碳与水的反应中，纸花的制作有一定的难度。纸质太软，浸泡时纸张易泡化，纸花不成形，纸质太硬，石蕊在纸花上不易形成较均一的紫色。向纸花上喷酸时，由于喷雾的不均匀，纸花上出现红色斑点，而不是均一的红色。
⑷ 二氧化碳和石灰水反应时，通入二氧化碳的时间要控制好。出现明显的浑浊即停止通入二氧化碳。若继续通入，二氧化碳与碳酸钙继续反应，生成可溶性的碳酸氢钙，溶液又变澄清。
5． 资源开发：
⑴ 为避免倾倒二氧化碳失败，可将实验进行如下改进，如图17-4。点燃阶梯上蜡烛，从导管中通入二氧化碳，一会儿就可看到下层蜡烛熄灭，然后上面的蜡烛熄灭。当然，通入二氧化碳的速度不可太快，太快蜡烛熄灭的时间差太小，不易分辨。
⑵ 证明二氧化碳的密度大，可选用以下实验。
① 如图17-5所示。在铁架台上挂两个纸袋（或塑料袋），调整，其其平衡。向右边的纸袋内倒入二氧化碳，可明显看到杠杆向右侧倾斜。从面证明二氧化碳的密度比空气大。
② 如图17-6所示。取一只天平，在天平左边放一只250 mL的烧杯，用砝码平衡。再向烧杯内倒入二氧化碳，可明显看到天平向二氧化碳一侧倾斜。以此证明二氧化碳的密度比空气大。
③ 取一只大的空烧杯（1000 mL以上，也可以用小塑料桶代替），盖上玻璃片，用向上排空气法收集一杯二氧化碳气体备用。
如图17-7，用滴管头醮些洗发精溶液，吹起空气泡，轻轻摆动滴管头，让空气泡落入充满二氧化碳的大烧杯内。空气汽可以二氧化碳中飘浮一段时间。证明二氧化碳的密度比空气大。
如图17-8所示。还可以用极薄的塑料袋吹成一个小气球，放在大烧杯内，再向烧杯底部能入二氧化碳。气球能缓缓上升到烧杯口部，证明二氧化碳的密度比空气大。
6．创新思维：
⑴ 能否用燃着木条熄灭要验纯二氧化碳？
用排稀酸法收集不同体积的二氧化碳和空气的混合气体，再用燃着的木条试验，测得如下数据。
|
编号 |
Ⅰ |
Ⅱ |
Ⅲ |
Ⅳ |
Ⅴ |
|
CO2体积（%） |
80 |
60 |
40 |
20 |
10 |
|
空气体积（%） |
20 |
40 |
60 |
80 |
90 |
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木条燃烧情况 |
熄灭 |
熄灭 |
熄灭 |
时燃时熄 |
安静燃烧 |
实验证明，只有二氧化碳在空气中的体积分数高于20%时，燃着的木条就会熄灭。可见，用燃着的木条试验二氧化碳的纯度是不可靠的。因此，用排空气法收集二氧化碳并用燃着的木条验纯，不一定能得到较纯的二氧化碳气体。因此，要处到纯净的二氧化碳气体，就应该尽可能用排液体的方法收集。这些方法包括排饱和碳酸氢钠溶液、排稀酸（如在水槽中滴几滴稀盐酸等）溶液等方法。
⑵ 二氧化碳的喷泉实验。
在双孔胶塞上插入一根带止水夹的导管，用滴管吸入一管的新配制的澄清石灰水，插入胶塞内。备用。
用烧瓶收集一瓶二氧化碳气体，立即塞上带导管和胶头滴管的双孔塞。导管插入盛有新配制的澄清石灰水的烧杯中。固定在铁架台上。用手挤压胶头滴管的胶头，将澄清石灰水挤入烧瓶内，打开止水夹。可见到澄清石灰水顺导管逆流入烧瓶内，并形成乳白色的“喷泉”。如图17-9。
该实验不仅能说明二氧化碳可以与石灰水反应，而且具有很强的视觉冲击力，对于调动学生的学生兴趣很有效果。
⑶ 二氧化碳不能支持燃烧吗？
用坩埚钳夹住一根用砂纸打磨光亮的镁条，在酒精灯火焰上点燃，迅速伸入集满二氧化碳的集气瓶中，镁条继续燃烧，产生耀眼的白光，生成白色固体，同时，在集气瓶壁出现黑色细小的颗粒物。这是由于镁能在点燃条件下，与二氧化碳发生剧烈的反应而燃烧。
可见，说二氧化碳不能燃烧也不支持燃烧，并不是绝对的。
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