实验室二氧化碳气体的收集及检测方法再研究
2022-06-08
摘要：实验证明虽然二氧化碳溶于水，但其溶解的速度很慢，所以实验室制二氧化碳也可以用排水法收集。在排气法收集中，是用点燃的木条放在集气瓶口是否熄灭来判断二氧化碳有没有收集满，实验证明二氧化碳浓度只要超过30%（体积分数），点燃的木条就会熄灭，所以用这样的方法来判断二氧化碳已收集满是不妥的。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：二氧化碳；排水集气法；实验探究
文章编号：1005?C6629（2014）7?C0065?C02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 问题的发现
初中化学教材中[1]二氧化碳气体是用向上排空气法收集的，没有提到用排水法收集，在一些练习甚至中考题中会考到二氧化碳是溶于水的，不宜用排水法收集。
二氧化碳的制取和性质是初中化学的重点知识，学生要掌握二氧化碳气体发生和收集、性质的验证等实验操作。在一次的学生实验中，每组发了一个水槽，要求学生把一瓶没用过的二氧化碳气体倒扣在盛水的水槽中，观察现象。同时笔者在黑板上写了一个数据：20℃，一个标准大气压下，1体积水中溶解0.88体积的二氧化碳[2]。
下课前汇总的实验现象：19组中有4组同学说没有水压入集气瓶；13组同学说有水压入，但很少，不到1厘米；有2组同学集气瓶中压入的水稍多，超过1厘米。学生提出疑问，水槽中这些水量，理论上足够把集气瓶中的二氧化碳气体溶解完，为什么集气瓶中水面几乎不上升。笔者问学生收集二氧化碳时都验满了吗，回答是肯定的；笔者指出即使点燃的木条熄灭，二氧化碳可能也是不纯的。这时下课铃声响起，同学们带着困惑离开了实验室。
2 问题的反思
曾经在《化学教学》杂志上看到过宋时雨老师的文章“使带火星木条复燃的氧气浓度极限的实验研究”[3]，该文通过实验证明当空气中氧气浓度达到50.2%及以上，带火星的木条即能复燃。
笔者又查阅了很多上海及外省市的中考卷，对充满二氧化碳气体的集气瓶倒扣在水中，现象的描述都为液面略有上升。
综合各种资料，笔者对学生的实验现象产生的原因有以下几个猜想：
猜想一：集气瓶中二氧化碳可能不纯；
猜想二：各种资料中关于二氧化碳在水中的溶解性数据可能并不准确；
猜想三：二氧化碳在水中的溶解速度可能较慢。3 实验验证
笔者进行二氧化碳溶于水实验。实验当天气温4～8℃，水温7℃，天气晴朗，用的是自来水。
取三个相同规格的集气瓶，一个大试管。先用向上排空气法连续收集两瓶二氧化碳气体，用点燃的木条放于瓶口验满后，马上倒扣在盛水的水槽中。让药品反应一段时间（预先多放点大理石，稀盐酸可随时添加，尽量排出装置中的空气），再用排水集气法收集一集气瓶和一试管二氧化碳气体，也倒扣在盛水的水槽中，依次编号为1、2、3、4（注：收集的前后时间差控制在10分钟内）。笔者每隔2小时拍照记录进入集气瓶和试管中的水量，并测算了2小时和24小时整这两个时间点时，进入容器内的水量占集气瓶容积的比例。以24小时整样本3为例，测量压入的水的体积，再测出该集气瓶装满水时水的体积，两者相除，算出当时水占集气瓶容积94.2%。具体实验情况见表1。
分析表1，发现二氧化碳溶解于水的速度很慢，样本1～4压入的水量不同，是因为二氧化碳的纯度不同，用排水法收集的二氧化碳纯度大大高于排空气法收集的二氧化碳纯度，并且排水法不需要验满，节约原料。
学生实验中，由于二氧化碳是用排空气法收集，且倒置于水中的时间很短，从而造成学生很难发现二氧化碳溶于水而水位上升的现象。
由此可见，二氧化碳溶于水的速度很慢，其溶解的速度不影响用排水法收集二氧化碳，且收集到的二氧化碳纯度很高（快、纯、省料），而用排气法收集的二氧化碳纯度就较低，且耗时、耗料。
4 使点燃的木条熄灭的二氧化碳浓度研究
笔者用容积为150mL的集气瓶，装入60mL水，留有90mL空气，用二氧化碳排出这些水，用此法收集到占空气体积分数为40%的二氧化碳气体，再用点燃的木条伸入集气瓶中，观察是否熄灭。通过改变装入集气瓶中的水量，来改变二氧化碳的体积分数，试验不同浓度的二氧化碳使燃烧的木条熄灭的情况。实验结果见表2。
实验证明只要空气中CO2的体积含量达到30%及以上，点燃的木条就能熄灭。
5 结论
通过上述实验我们可以得出结论，虽然二氧化碳可溶于水，但溶解的速度很慢，所以实验室制二氧化碳也可以用排水法收集，而且用排水法收集到的二氧化碳纯度高（快、纯、省料）。排空气法收集二氧化碳实验是用使点燃的木条是否熄灭来证明二氧化碳是不是收集满，而二氧化碳在空气中的体积分数只要超过30%就能使点燃的木条熄灭，所以这样收集到的二氧化碳纯度肯定比用排水法收集的二氧化碳气体的纯度低。
参考文献：
[1][2]九年义务教育课本.九年级化学第一学期[M].上海：上海教育出版社，2007：117.
[3]宋时雨.使带火星木条复燃的氧气浓度极限的实验研究[J].化学教学，2001，（8）：11.
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关键词：二氧化碳；排水集气法；实验探究
文章编号：1005?C6629（2014）7?C0065?C02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 问题的发现
初中化学教材中[1]二氧化碳气体是用向上排空气法收集的，没有提到用排水法收集，在一些练习甚至中考题中会考到二氧化碳是溶于水的，不宜用排水法收集。
二氧化碳的制取和性质是初中化学的重点知识，学生要掌握二氧化碳气体发生和收集、性质的验证等实验操作。在一次的学生实验中，每组发了一个水槽，要求学生把一瓶没用过的二氧化碳气体倒扣在盛水的水槽中，观察现象。同时笔者在黑板上写了一个数据：20℃，一个标准大气压下，1体积水中溶解0.88体积的二氧化碳[2]。
下课前汇总的实验现象：19组中有4组同学说没有水压入集气瓶；13组同学说有水压入，但很少，不到1厘米；有2组同学集气瓶中压入的水稍多，超过1厘米。学生提出疑问，水槽中这些水量，理论上足够把集气瓶中的二氧化碳气体溶解完，为什么集气瓶中水面几乎不上升。笔者问学生收集二氧化碳时都验满了吗，回答是肯定的；笔者指出即使点燃的木条熄灭，二氧化碳可能也是不纯的。这时下课铃声响起，同学们带着困惑离开了实验室。
2 问题的反思
曾经在《化学教学》杂志上看到过宋时雨老师的文章“使带火星木条复燃的氧气浓度极限的实验研究”[3]，该文通过实验证明当空气中氧气浓度达到50.2%及以上，带火星的木条即能复燃。
笔者又查阅了很多上海及外省市的中考卷，对充满二氧化碳气体的集气瓶倒扣在水中，现象的描述都为液面略有上升。
综合各种资料，笔者对学生的实验现象产生的原因有以下几个猜想：
猜想一：集气瓶中二氧化碳可能不纯；
猜想二：各种资料中关于二氧化碳在水中的溶解性数据可能并不准确；
猜想三：二氧化碳在水中的溶解速度可能较慢。3 实验验证
笔者进行二氧化碳溶于水实验。实验当天气温4～8℃，水温7℃，天气晴朗，用的是自来水。
取三个相同规格的集气瓶，一个大试管。先用向上排空气法连续收集两瓶二氧化碳气体，用点燃的木条放于瓶口验满后，马上倒扣在盛水的水槽中。让药品反应一段时间（预先多放点大理石，稀盐酸可随时添加，尽量排出装置中的空气），再用排水集气法收集一集气瓶和一试管二氧化碳气体，也倒扣在盛水的水槽中，依次编号为1、2、3、4（注：收集的前后时间差控制在10分钟内）。笔者每隔2小时拍照记录进入集气瓶和试管中的水量，并测算了2小时和24小时整这两个时间点时，进入容器内的水量占集气瓶容积的比例。以24小时整样本3为例，测量压入的水的体积，再测出该集气瓶装满水时水的体积，两者相除，算出当时水占集气瓶容积94.2%。具体实验情况见表1。
分析表1，发现二氧化碳溶解于水的速度很慢，样本1～4压入的水量不同，是因为二氧化碳的纯度不同，用排水法收集的二氧化碳纯度大大高于排空气法收集的二氧化碳纯度，并且排水法不需要验满，节约原料。
学生实验中，由于二氧化碳是用排空气法收集，且倒置于水中的时间很短，从而造成学生很难发现二氧化碳溶于水而水位上升的现象。
由此可见，二氧化碳溶于水的速度很慢，其溶解的速度不影响用排水法收集二氧化碳，且收集到的二氧化碳纯度很高（快、纯、省料），而用排气法收集的二氧化碳纯度就较低，且耗时、耗料。
4 使点燃的木条熄灭的二氧化碳浓度研究
笔者用容积为150mL的集气瓶，装入60mL水，留有90mL空气，用二氧化碳排出这些水，用此法收集到占空气体积分数为40%的二氧化碳气体，再用点燃的木条伸入集气瓶中，观察是否熄灭。通过改变装入集气瓶中的水量，来改变二氧化碳的体积分数，试验不同浓度的二氧化碳使燃烧的木条熄灭的情况。实验结果见表2。
实验证明只要空气中CO2的体积含量达到30%及以上，点燃的木条就能熄灭。
5 结论
通过上述实验我们可以得出结论，虽然二氧化碳可溶于水，但溶解的速度很慢，所以实验室制二氧化碳也可以用排水法收集，而且用排水法收集到的二氧化碳纯度高（快、纯、省料）。排空气法收集二氧化碳实验是用使点燃的木条是否熄灭来证明二氧化碳是不是收集满，而二氧化碳在空气中的体积分数只要超过30%就能使点燃的木条熄灭，所以这样收集到的二氧化碳纯度肯定比用排水法收集的二氧化碳气体的纯度低。
参考文献：
[1][2]九年义务教育课本.九年级化学第一学期[M].上海：上海教育出版社，2007：117.
[3]宋时雨.使带火星木条复燃的氧气浓度极限的实验研究[J].化学教学，2001，（8）：11.