排水集气法收集CO2的实验探究

张雷 董银萍

摘要： 在分析了“CO2的收集”在中学化学教学中遇到的困扰的基础上，巧妙利用三颈烧瓶、压强传感器、一次性注射器、导气管等器具，设计了实验装置并进行了实验探究。结果表明，可以用排水法收集CO2，且该装置装配简单，实验现象明显。在实验过程中，学生可以根据压强传感器的读数变化规律，定量分析CO2气体在水中的溶解性，证实用排水法收集CO2气体的可行性，从而培养学生的科学探究能力和批判性思维意识。

关键词： CO2的收集; 排水集气法; 传感器; 实验探究

文章编号： 10056629（2019）1006703      中图分类号： G633.8      文献标识码： B

1 问题的提出

气体的收集是中学化学教学中的重点和难点，对于不易溶于水的气体，例如H2、 O2等可用排水集气法收集;而对于溶于水的气体则要比较该气体与空气的密度，当气体密度比空气密度大时，用向上排空气法收集，如CO2、 Cl2等;当气体密度小于空气密度时，则要用向下排空气法收集，如NH3等。CO2的收集方法一直是中学化学的一个疑难点，在学生已有的认知中，CO2密度大于空气密度，可溶于水且与水反应生成碳酸，因此只能用向上排空气法收集，但在人教版九年级《化学》第一单元课题2中对于人体吸入的空气和呼出的气体的探究实验中却用排水法收集呼出的气体[1]。这与学生的认知不符，易引起学生的疑惑： CO2究竟能否用排水法收集？多数教师在教学时也是采用模糊处理的方法，学生也只是机械的记忆，没有进行太多的思考，很难真正地理解气体的收集这一知识点。但在当前的学习中，用排水法收集CO2气体的方法逐渐受到重视[2～4]，实际上自2007年起苏州市的中考化学题就有意识地在这一问题上做了文章[5]。基于此，本研究将使用数字化实验设备，分析CO2气体在水中的溶解性，深入探究排水法收集CO2氣体的可行性，帮助学生全面而深入地理解和掌握“CO2的收集”这一知识点。

2 实验设计

在学习CO2气体收集之前，学生已经知道用排水法可以收集人体呼出的气体，掌握了氧气的制备和收集方法，对气体收集的基本原理和方法也有了初步的了解，但对于CO2气体的收集方式还存在疑惑。基于此，本研究巧妙地利用一次性注射器、导气管、三颈烧瓶等器具设计密闭实验装置，用压强传感器对体系中的压强进行连续检测。根据所测体系中压强数据的变化，计算溶于水并与水发生反应而消耗掉的CO2的量，从而证明排水法收集CO2气体的可行性。

3 实验改进

3.1 原理

通过压强传感器分别测得充满CO2气体的三颈烧瓶内的压强（P1）、向该三颈烧瓶中注入水时的瞬间压强（P2）及随着CO2气体溶于水且与水发生反应，三颈烧瓶内的压强逐渐发生变化，两分钟时体系的压强（P3），则由于溶于水且与水发生反应而消耗掉的CO2量可以表示为P2-P3，占总量的比值为P2-P3P1。

3.2 实验药品与装置

3.2.1 实验药品与仪器

碳酸钙、稀盐酸、自来水、250mL三颈烧瓶、250mL锥形瓶、橡胶管、玻璃导气管、止水夹、注射器、压强传感器

3.2.2 实验装置

图1为CO2气体发生及收集实验装置图。在图1的锥形瓶中加入适量的碳酸钙粉末，用注射器注入适量的稀盐酸，通过导气管将生成的CO2气体通入三颈烧瓶中。最初，将压强传感器上的活塞A打开，使通入的CO2气体将三颈烧瓶中的空气排尽。随着反应的进行，用一根带火焰的木条放在活塞口A处，若火焰熄灭，说明三颈烧瓶中已充满CO2气体，迅速关闭活塞A，并用止水夹夹住导气管B处，移去CO2气体发生装置，记录此时压强传感器的数据P1;再用注射器抽取15mL水，通过活塞A迅速注入到三颈烧瓶中，记录此时压强传感器的数据P2;随着CO2溶于水并与H2O发生反应生成碳酸，体系的压强逐渐发生变化，记录反应两分钟之后压强传感器的数据P3。

改进的实验装置简单且完全密闭，不会造成CO2气体的泄露，测得的数据准确，便于在课堂上演示和学生亲自动手实验。

3.3 实验过程与数据处理

3.3.1 实验过程

（1） 向锥形瓶中加入适量的碳酸钙粉末，并将吸取适量稀盐酸的一次性注射器的针头扎入软木塞中，备用。

（2） 按实验装置图1组装仪器。

（3） 检查装置气密性。用压强传感器中自带的注射器通过活塞口A向三颈烧瓶注入50mL空气，并一直压住注射器。若压强传感器的读数先变大后保持不变，证明实验装置的气密性良好。

（4） 打开活塞A，将针筒中的稀盐酸迅速注入锥形瓶中，反应开始后用带火焰的木条放在活塞A处，火焰熄灭时，迅速关闭活塞A，并用止水夹夹住导气管B处，移去CO2气体发生装置。

（5） 用压强传感器自带的注射器通过活塞口A向三颈烧瓶中注入15mL水，观察并记录两分钟之内体系的压强变化情况。

3.3.2 数据处理

在实验过程中，从三颈烧瓶中充满CO2气体并关闭活塞A开始计时，每隔1s记录一次压强传感器的读数，并记录于表1中;图2更清晰地显示出了体系压强随时间的变化趋势。

由表1及图2可以看出，当三颈烧瓶中充满CO2气体时，体系的压强为106.94kPa，记为P1;当向三颈烧瓶中注入水的瞬间，体系的压强达到110.60kPa，记为P2;之后，随着CO2气体与水的反应，三颈烧瓶中的压强逐渐减小，在两分钟之后体系压强减小到110.03kPa，并基本保持恒定，记为P3。由反应过程中体系压强的变化可知，CO2气体溶于水且与水反应消耗的量为ΔP=P2-P3=0.57kPa，故消耗的CO2的量约为收集到的CO2气体总量的0.53%（α=ΔP/P1）。

由上述实验结果及数据分析可以看出，在充满250mL CO2气体的三颈烧瓶中注入15mL水，两分钟之内仅有约0.53%的CO2气体溶于水并与水发生反应，而已有的研究结果表明用排水集气法收集满一集气瓶（170mL）CO2气体所需要的时间不足50秒[6，7]。基于本研究的实验结果，可推测在不足50秒的收集时间之内，CO2气体的损耗率将更低于0.53%，几乎可以忽略不计，因此完全可以用排水集气法收集CO2气体。

4 “排水集气法收集CO2气体”实验的优点

4.1 实验装置简单，操作简易

实验装置所用的三颈烧瓶、锥形瓶、一次性注射器、导气管、止水夹、压强传感器等均为实验室常见器具，可在课前提前搭建好实验装置，准备好一针筒稀盐酸和一针筒水，课堂中只需将稀盐酸注入锥形瓶，待收集满CO2气体后再注入水即可，不受条件限制，几乎可在所有的中学课堂中使用。

4.2 现象明显，实验耗时短

稀盐酸和碳酸钙反应剧烈，只反应几秒钟产生的CO2气体即可充滿三颈烧瓶，注入水之后通过压强传感器观察反应体系中压强的变化，记录两分钟之内体系压强的变化情况;反应过程中，体系的压强呈现明显的先增后降并逐渐趋于稳定的变化趋势。最后，通过压强传感器读数的变化和计算即可证明CO2气体可用排水集气法收集，整个实验过程只需2～3分钟。

4.3 该实验可做进一步改进

本研究只探究了250mL CO2气体溶于15mL水中时的损失情况，在实际教学过程中，可将学生分成若干小组，分别探究不同体积的CO2气体溶于不同体积的水中的情况，让学生体验完整的科学探究过程，培养学生的科学探究能力[8]。

5 小结

本研究采用数字化实验设备定量地分析了排水集气法收集CO2的科学性和可靠性，实验装置简单，操作方便，实验现象明显。将该实验方案用于“CO2气体的收集”的教学中，可以对教材中模糊处理的知识点进行直观呈现，充分激活学生已有的知识经验，通过创新性思维，生成真正属于自己的个体知识，拓展教材的思想和内涵，突出实验的教学作用。通过实验探究，在完成知识与技能教学目标的同时，培养学生的批判性思维意识，有利于学生化学学科思想方法的形成。

参考文献：

[1]王晶主编. 义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级·上册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 14.

[2]伍强. 饱和碳酸钠溶液和二氧化碳气体反应实验的研究[J]. 化学教学， 2014， （11）： 56～58.

[3]郁学梅. 实验室二氧化碳气体的收集及检验方法再研究[J]. 化学教学， 2014， （7）： 65～66.

[4]刘凤侠， 孙玉明. 用排水法能收集二氧化碳气体吗[J]. 农村青少年科学探究， 2010， （12）： 18～19.

[5][7]毛明. 关于二氧化碳的两种实验室收集方法的教学研究[J]. 化学教学， 2013， （5）： 58～60.

[6]薛青峰. 基于问题导引图示教学法的实践与反思——以“从铝土矿到铝合金”教学为例[J]. 化学教学， 2017， （6）： 57～59.