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关于二氧化碳的两种实验室收集方法的教学研究
发布时间:2013/5/17 22:22:44  信息来源:苏州教科院  作 者:毛明  浏览次数:13341   【

关于二氧化碳的种实验室收集方法的教学研究

 

 

(江苏省 苏州市教育科学研究院 215004

摘要:本文从地方区域性中考化学命题、教研活动和课堂实验教学的角度,从教学大纲、化学课程标准及教材的角度探索了二氧化碳的2种实验室收集方法,并对有关教材中将“排水集气法”持“不明确的”或“否定的”说法,提出了作者个人的见解:无论从二氧化碳与水反应的限度和溶解程度,或是二氧化碳气泡与水接触的程度即气泡逸出速率和与水化合及碳酸分解的速率来看,排水法收集二氧化碳不但可能也是可行的。

关键词:二氧化碳  实验室  收集方法  教学研究

 

二氧化碳气体的实验室收集常用向上排空气法;而对排水法收集二氧化碳气体,我国中学教材、教辅资料等往往采取模糊或否定的态度。笔者为此也曾多次在实验室做过类似对比实验,并观摩、参与了有关教研活动和教师的有关本课题的课堂教学实践,考证了相关内容的大纲、课标和教材,认为有必要就这个问题阐明和提出自己的看法,以期引发同行探讨或反思。

 

1对排水法收集二氧化碳的教学研究

1.1 “前奏”

    自从2007年起,苏州市中考化学卷命题组就有意识地在这个问题上渐渐做起了“文章”。

苏州市2007 年第28题:

   5)实验室一般用向上排空气法收集二氧化碳气体,试问能否用排水法收集到二氧化碳?请说明理由。(已知:通常状况下1L水大约能溶解1L二氧化碳气体)(原因)

                                                                                  

        答:能。因为CO2溶解性有限,从导管口产生的气泡在水中能较快浮起而逸出。

1分,答到“CO2溶解度不大”也给分。答“不能”不给分,只答“能”未说明理由不给分)

苏州市2008年第18题:

实验室制取下列气体:① 用锌和稀硫酸制取氢气;② 用双氧水和二氧化锰制取氧气;③ 用石灰石和稀盐酸制取二氧化碳气体。下列有关说法错误的是

A. 都不需要对气体发生装置加热         B. 都可以用排水法收集气体

C. 都可用向上排空气法收集气体         D. 都可以用相同的发生装置

答案:C2分)(结论)

2010年第36题:

3)排水法收集与排空气法收集CO2的比较(分别用体积相同的2个集气瓶收集)

比较项目

排水法

向上排空气法

收集方法可行性分析

CO2气体生成和从水面逸出的速率远大于其溶解和与水反应的速率。

CO2密度比空气大,且     

收集过程分析

集满现象:

                

“验满”分析:因气体无色,故集满与否较难确定。即便用燃着木条移近容器口火焰熄灭,也难以证明空气完全排尽。

向收集到CO2的集气瓶内倒入等体积适量澄清石灰水,并振荡

先浑浊后变澄清所需时间较短。

先浑浊后变澄清所需时间较长。

由上述实验可得结论

                    ;②                      

答案:3)不与空气反应1分,或不与氧气反应)(原因)

集气瓶内液面下降至瓶口,且气泡从瓶口逸出(1分)(现象)

                结论:排水法集满二氧化碳现象明显或操作方便(1分)

排水法收集到的二氧化碳气体浓度或纯度较高(1分)

2012年第18

下列有关实验室制取二氧化碳的方法合理的是

A.因为二氧化碳在水中的逸出速率大于溶解速率,故也可用排水法收集(原因)

B.因为通常情况下二氧化碳密度大于空气,故能用向上排空气法收集

C.在发生装置中加入块状石灰石和硫酸

D.因为碳酸钙和盐酸在常温下即可迅速反应,故气体发生装置不需要加热

答案:C2分)

6年时间里,苏州市中考化学试卷中涉及实验室可否用排水法收集的过程、原因和结论的考查有4次,以期引发广大初中化学教师开展对这一问题的探究活动。

1.2有关的教学实践研究

1.2.1一次教师实验调研活动中的展示

2007年下半年立达中学严西平老师*参加苏州市区初中化学教师实验调研活动,就“排水法收集二氧化碳气体”进行了展示,为此获得市区一等奖。

1.2.2一次公开观摩课中的专题展示

    20121127日,严西平老师利用数字化传感仪上了《二氧化碳收集方法的探讨》公开课,在江苏省中小学教研室组织的“教学新时空”中展播。

本节课主要研讨了两个问题:一是探究二氧化碳在水中的溶解量究竟有多大?二是探究用排空气法以及排水法收集到的两瓶二氧化碳气体哪瓶更纯。严西平老师主要做了以下实验:

定性对比:通过用2个聚酯瓶都集满二氧化碳,再分别注入等量的半瓶水,1个瓶不振荡;另1个瓶盖旋紧后,用力振荡。结果不振荡的那个瓶几乎没有发生形变,而充分振荡的另一个瓶却变瘪了。

定量对比:通过对制备、收集组合装置12号集气瓶中水样pH的检测,得出结论:排水时二氧化碳的溶解量较小pH较大;充分振荡后,另一瓶溶解量才会增大pH较小。因此得出结论:通常情况下可以用排水法来收集二氧化碳。

探究排空气法和排水法收集的二氧化碳哪种更纯时,用的是定量对比的方式,通过对34集气瓶中“氧气”含量(因学校没有配备二氧化碳探头,故教师用氧气探头测试集气瓶内氧气含量间接得出二氧化碳含量)的测定,可以估算出二氧化碳的含量。因而又得出结论:用排水法收集到的二氧化碳气体更纯。

1.2.3一次“基础实验”课的研究

为贯彻教育部新颁布的《义务教育化学课程标准(2011年版)》中一级主题“科学探究”部分的二级主题“完成基础的学生实验”,苏州市教育科学研究院于2012109日在苏州市高新区浒墅关中学举办了一次贯彻执行课程标准新规定的“基础实验”公开观摩课教研活动。这节课是以上海教育出版社新修订出版的九年义务教育化学(上册)第2章里的“基础实验2 二氧化碳的制取与性质”为题[1],执教者就是这次教研活动承办校的一位青年教师吕志奇。

课上教师提问:选取气体收集方法的依据是什么?有一位学生回答得很干脆:“根据气体的密度和水溶性”。教师于是引出了本课探究点之一:“尽管二氧化碳能溶于水,那么二氧化碳气体到底能不能用排水法收集?今天我们就通过实验来说明这个问题”。

1学生分组实验情况

教师在讲解妥当检查连接有分液漏斗的锥形瓶发生装置的气密性和装备试剂等准备工作的方法后,将全班学生按常规实验室的自然竖排八列座位分成四个大组:每相邻两列为一个大组,每间隔的两个大组用排水集气法,另间隔的两个大组用向上排空气法。

每一小组学生先取出秒表,再要求各小组先将导管伸进集气瓶内,待教师一声令下,同学们将量筒里盐酸倒入长颈漏斗里的一刹那即按下秒表,记录排水法或向上排空气法集“满”第一瓶(1号瓶)气体的时间,紧接着再集满第二瓶(2号瓶)二氧化碳气体……然后教师要学生代表报出收集满第一瓶(即1号瓶)二氧化碳所需时间,教师填写黑板上事先拟好的表格。

排水法和向上排空气法收集“1号瓶”气体所需时间对照

小组

大组

1

2

3

4

排水法(一)

35″

43″

43″

43″

排水法(二)

44″3

39″

47″

44″6

排空气法(一)

1′57″

1′15″

1′4″

1′12″

排空气法(二)

1′4″

52″

49″

 

各小组采集到的两种集气方法中所耗时间若去掉一个最高值和一个最小值:则排水法平均耗时为42.8″排空气法平均耗时为1′12″

2教师演示实验情况

师生对上述问题讨论结束后,教师分别随机选取第一大组排水法和排空气法的各一个2号瓶,将其同时倒扣在盛放滴有酚酞试液的稀氢氧化钠溶液的水槽内,现象是:在相同时间,排水法集气瓶里的液面几乎上升到接近瓶底,而向上排空气法集气瓶里的液面仅上升集气瓶高度的大约一半。

师生共同讨论得出结论:相同体积的两个集气瓶内,排水法收集到的二氧化碳量大于向上排空气法。

教师请学生打开课本第43[2],阅读倒数第二行一句:“二氧化碳能溶于水,一般不用排水集气法收集”,然后问:“同学们经过刚才的实验,你们觉得可以用排水法收集二氧化碳吗?”学生们齐声回答“可以”。教师明确要求学生将课本上“倒数第二行”的那句原话“划掉”。

 

2教材处理这个问题的3种情况

根据搜集到有关教材对“排水法收集二氧化碳气体”的态度,笔者发现有以下3种:

2.1 未定

我国的义务教育教学大纲 [11] [12]以及自2002年开始实行的义务制化学课程标准[3] [10]从来没有否定过排水法收集二氧化碳气体,但也没有明确肯定此法。

曾有一时期我国有的中学化学教材宽泛地提出排水法收集气体的限制条件,但不具体针对二氧化碳:

1)“不易溶于水,不与水反应的气体可以用排水集气法收集”[6] [7]

2)“排水法(不易溶于水,不与水发生反应)”[8]

2.2 否定

我国中学化学教材明确否定排水法收集二氧化碳的有:

1)“由于二氧化碳能溶于水,比空气重,所以不能用排水法收集,但可以用向上排空气法收集在集气瓶里”[4]

2)“根据二氧化碳的性质,它可溶于水生成碳酸,因此通常不采用排水集气法,而采用排空气集气法。”[5]

3)“二氧化碳能溶于水,一般不用排水法收集”[2],这显然是对刚开始实施的实验版课程标准教材[6] [7]的一种“倒退”或“反动”。

2.3肯定

由英国剑桥大学审定的一本已经是第二版的化学教科书[9]认为:收集二氧化碳气体可以用排水集气法,并刊印有如下图所示的收集装置。

 

 

 

 

 

 

 


3讨论与结论

收集相同体积的二氧化碳气体,“排水法”比“向上排空气法”速度快,且前者收集到的二氧化碳气体的浓度和纯度都较后者大。

我国初中化学教材对“排水法收集二氧化碳”否定也罢,不明确也罢,都是教材编者仅仅针对初中生初步了解的二氧化碳水溶性及与水反应的性质知识得出的“推断”;教材编者有意回避从热力学和动力学理论分析其可能性,也没有从实验操作实际出发验证其可行性。对“排水法收集二氧化碳”持不明朗态度是不合理的,持否定的态度更是不严谨和不尊重事实的。简而言之:无论从二氧化碳与水反应的限度和溶解程度,或是二氧化碳气泡与水接触的程度即气泡逸出速率和与水化合及碳酸分解的速率来看,排水法收集二氧化碳不但可能也是可行的;而向上排空气法,为了减少所收集到二氧化碳气体中的酸雾,则所用盐酸浓度一定要低,但却会由此而影响反应的速率(这是从化学教师或高中生可以理解角度的一种阐述)。

“实验室可用排水法收集二氧化碳”从初中生容易接受的性质角度可解释为:“虽然二氧化碳能溶于水,但其溶解性并不强;虽然二氧化碳能与水反应,但生成的新物质碳酸很不稳定容易分解。”再从实验的角度可解释为:“用中学一般实验室装置制得的有一定压力的二氧化碳气体,沿单孔导管通入到水中,能形成一串串地连续气泡,说明二氧化碳气体从水中的逸出速率或量远大于其溶解或与水反应的速率或量,因此用排水法不但可以收集得到二氧化碳气体,也完全可以用排水法收集之,而无须待二氧化碳使水槽或集气瓶里的水达到饱和。”

“实验室可用排水法收集二氧化碳”的教育价值在于:教育学生不惟教条,不惟文本;要实事求是,尊重实验结果,“实验是检验化学原理的最高法庭”。要敢于坚持真理,勇于探索和揭示现象背后的实质。而正是二氧化碳排水法与向上排空气法两种不同方法的操作、原理等为师生提供了“生成性的”科学探究教学的真实情景和素材。

 

参考文献

[1] 王祖浩主编.义务教育教科书:化学(九年级 上册)[M],上海:上海教育出版社,201257

[2] 王祖浩主编.义务教育教科书:化学(九年级 上册)[M],上海:上海教育出版社,201243

[3] 中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准(2011年版) [S].北京:北京师范大学出版社,20121219

[4] 梁英豪,胡美玲等编写.初级中学课本:化学(全一册)[M],北京:人民教育出版社,1987115116

[5] 程明荣主编.九年义务教育三年制初级中学课本:化学(全一册)[M],北京:人民教育出版社,20019394

[6] 王祖浩主编.义务教育教科书:化学(九年级 上册)[M],上海:上海教育出版社,20014142

[7] 王祖浩主编.义务教育教科书:化学(九年级 上册)[M],上海:上海教育出版社,20114344

[8] 胡美玲主编.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,2006110113

[9] Bryan Earl and Doug WilfordIGCSE Chmistry(Second Edition)LondonHodder Education,an Hachette UC Company2009123

[10] 中华人民共和国教育部制定.全日制义务教育化学课程标准(实验稿) [S].北京: 北京师范大学出版社,200119

[11] 中华人民共和国教育部制定.九年义务教育全日制初级中学化学教学大纲(试用修订版)[S],北京:人民教育出版社,20007

[12] 中华人民共和国国家教育委员会制定.九年义务教育全日制初级中学化学教学大纲(试用)[S],北京:人民教育出版社,19926

 

 

 

 

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