二氧化碳密度探究实验的再改进.pdf

2023 年第7期实验改进与创新二氧化碳密度探究实验的再改进康泽伟1，高倩2，王立3，徐琳4（1.天津市五十中学，天津 300110；2.天津市二十五中，天津 300110；3.南开区教育中心，天津 300110；4.山东省烟台第十四中学，山东烟台 264000）摘要：二氧化碳是初中化学学习的重要内容，其密度大于空气密度属于其重要物理性质，是课程标准要求掌握的内容之一。针对二氧化碳密度探究实验，分析现行多版教材和文献资料，总结利弊，提出新的改进方法，有效解决了“烟囱效应”、热气流冲散二氧化碳等问题的干扰。改进后的实验简单易操作，现象明显易观察。关键词：二氧化碳；密度；探究实验；烟囱效应DOI：10.19935/ki.1004-2326.2023.07.021CO2是初中化学需要学习的重要气体，其性质的探究实验也是必做实验，多版教科书中设置了CO2倾倒实验，借此验证CO2的密度比空气大。横观现行五版教科书，其中沪教版、粤科版和仁爱版三版教材采用带挡板阶梯蜡烛倾倒CO21；人教版使用无挡板阶梯蜡烛倾倒CO22；鲁科版无该实验。由于该实验在帮助学生学习二氧化碳的物理性质过程中具有重要作用，因此有必要对其再进行讨论和改进。1文献分析各版教科书中的实验设置思路基本相同，存在的问题为：烧杯内2支蜡烛燃烧产生大量的热，使热气流向上运动，冲散了向下倾倒的CO2气体，导致实验失败。针对这一问题，众多中学教师对该实验进行了改进3-5，部分改进方案如图1所示6。CO2CO2CO2底部悬空的挡板图1阶梯蜡烛倾倒CO2改进实验（3）密闭体系减少了污染。（4）白磷燃烧时放出大量的热，使体系的温度升高，有利于铁粉与硫粉的反应。（5）实验现象明显，创新性强，能培养学生的创新思维能力。化学实验是中学化学课堂的主阵地，一个新颖、有创意的实验，能够迅速吸引学生进入课堂教学之中，使学生把兴奋点集中到课堂上，集中到教学内容上，使教者轻松愉快，使听者心驰神往1。中学化学教材中有许多经典实验，其实验方法已经被长期传承和运用，但还有部分实验现象不稳定、成功率不高。在教学中，教师如果只按照教材中的设计方案完成实验，那么有些实验不一定能取得好的实验效果。对此，教师应对这部分实验进行探究，引导学生提出问题、设计出新的实验方案，让学生感受到探究的乐趣，既能锻炼学生的实验能力，又能开拓学生的思维，提升创造力，还能培养学生良好的环保意识、资源意识、安全意识和创新意识2。参考文献1 陈心忠.一次市化学优质课的案例评说 J.中学化学教学参考，2014（5）：63-65.2 李周平，张乐伟.改进教材中的实验增强实验趣味性 J.化学教育，2009（7）：59-61.59SHIYAN JIAOXUE YU YIQI2023年第7期实验改进与创新然而，以上实验改进方案均无法排除“烟囱效应”的干扰7。“烟囱效应”原理为：空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气对流加强的现象，是热交换的一种形式。根据该原理可知，倾倒密度比空气略小的气体也可能会发生熄灭，沈兆刚8也提出了该观点，并用香烟证实了“烟囱效应”的存在。2实验改进2.1问题分析“烟囱效应”的出现源于温差，因此，改进实验时若能解决温差，即可解决该问题。笔者的想法为，用导管输送CO2，使CO2的流动远离火源。2.2实验仪器及耗材实验仪器：铁架台、塑料导管（直径25 mm）、塑料三通管、L形导管（2支）、直形导管（1支）、止水夹、橡胶球胆、胶塞（4个）、抽滤瓶、陶土网、玻璃片。实验耗材：干冰、小蜡烛（2 cm，2支）。2.3仪器组装及实验操作第一步：仪器组装。用三通管连接两段25 cm的塑料导管，再用带导管的橡胶塞堵住上下端口，又用一根带导管的橡胶塞堵住中间口，上端放置一个铁圈，铁圈上放一张陶土网，将蜡烛放在陶土网上，烛心靠近导管口。在桌面上放置一块玻璃片，将蜡烛放在玻璃片上，同样将烛心置于导管口附近，具体如图2、图3所示。图2CO2密度探究实验图3CO2密度探究实验装置示意图装置实物第二步：集气。将4块干冰放在抽滤瓶中，用胶塞堵住瓶口，将气囊插在支管处，收集CO2气体，待气囊集满即停止收集，用止水夹夹紧导管，备用。第三步：注气。点燃上下2支蜡烛，将装满CO2的气囊连接中间导管，打开止水夹，用手缓慢挤压气囊。实验现象：缓慢挤压二氧化碳气体，观察到下端蜡烛先熄灭，上端蜡烛后熄灭。3实验评价采用以上方法进行实验有以下4个优点。（1）将二氧化碳的流动与熄灭蜡烛两过程在空间上分离，解决了因为气体受热导致的“烟囱效应”。（2）用碳酸钙、稀盐酸制备的二氧化碳存在潮湿、不纯的缺点，对实验结论的科学性有干扰，若增加除杂、干燥装置，则制备过程过于烦琐。本实验利用干冰制备二氧化碳，利用球胆收集气体，方法简单，气体纯净，且便于较长时间保存，解决了上述问题。（3）实验器材简单易制，材料价格便宜。例如，本实验所用的塑料管和三通管成本仅在10元以内。（4）现象明显，操作简单，上下2支蜡烛距离较远，形成对比且相互不产生干扰，易于观察，科学合理。（基金项目：天津市教育学会“十四五”教育科研规划课题“优化教学关键环节培养学生化学核心素养的实践研究”，编号：KT-“十四五”-017-GH-2102；烟台市教育科学“十四五”规划课堂教学改革专项课题“核心素养导向下的传统文化与化学知识融合的教学实践研究”，编号：KXXBZX061）参考文献1 王晶，郑长龙.义务教育教科书化学九年级上册 M.北京：人民教育出版社，2021.2 沈怡文，陈德余.义务教育教科书化学九年级上册 M.北京：北京教育出版社，2012.3 郭涛.比较二氧化碳和空气密度的实验探究 J.中小学实验与装备，2021，31（1）：49-50.4 李娜.倾倒二氧化碳熄灭阶梯蜡烛实验的改进 J.化学教育，2014，35（5）：70-72.5 明月露.二氧化碳性质实验的改进 J.实验教学与仪器，2015，32（7/8）：58.6 李德前，周梅华，张羿.“倾倒氧气助燃”与“倾倒二氧化碳灭火”实验的组合设计 J.化学教学，2021（3）：67-70.7 魏海，李德前，周梅华.倾倒二氧化碳灭火实验需排除“烟囱效应”的干扰 J.化学教学，2019（11）：63-66.8 沈兆刚.亦论二氧化碳的灭火实验 J.教学仪器与实验，2013，29（12）：37-38.60