实验活动2 二氧化碳的实验室制取与性质(二)

官方化学老师·12 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·3 天前
化学实验二氧化碳反应原理装置选择

实验活动2 二氧化碳的实验

从反应原理到装置选择,彻底理解CO₂制取实验的设计逻辑

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化学实验二氧化碳反应原理装置选择

实验活动2 二氧化碳的实验

从反应原理到装置选择,彻底理解CO₂制取实验的设计逻辑

1第 1 页 · 实验活动2 二氧化碳的实验

二氧化碳的实验室制取

上节课做了 CO2 的几个性质实验,CO2 是从哪儿来的?这节课回到实验室,把制取过程拆成四步搞懂。

反应原理
石灰石与稀盐酸反应:CaCO₃+2HCl→CaCl₂+H₂O+CO₂↑
装置选型
固液不加热型:锥形瓶+长颈漏斗+导管,类似制氢装置
收集方法
向上排空气法——CO₂密度大于空气且能溶于水
验满方法
燃着的木条放在集气瓶口,木条熄灭则已集满
自制汽水对应 →固液制气装置

固体(石灰石)是底料,液体(盐酸)冲下去,气体(CO₂)从导管冒出来

CaCO3+2HClCaCl2+H2O+CO2CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow
2第 2 页 · 二氧化碳的实验室制取

气密性检查

上一页装好了反应装置,但组装完成不等于能直接用——接口处哪怕有一丝缝隙,生成的二氧化碳都会悄悄溜走,导致收集失败。怎么在实验前发现这些隐藏漏洞?这就要做气密性检查。

检查目的
确认装置各连接处密封良好,反应中气体不会外漏
核心原理
利用气体热胀冷缩:受热膨胀、冷却收缩,制造压强差
微热法操作
导管末端浸入水中,双手紧握容器(或用热毛巾捂热)
合格判据
导管口冒出气泡,松手后管内形成一段稳定水柱
必查时机
凡气体制取与收集的装置,组装后加药品之前必做
给漏水的水袋装水试漏对应 →装置气密性检查

气体泄漏肉眼看不见,导管口伸入水中让气泡当'翻译'——哪冒泡就是哪漏

3第 3 页 · 气密性检查

石蕊溶液检验溶液酸碱性

制取 CO₂ 时把气体通进水里,怎么证明这杯水变成了酸?靠品尝太危险,靠感觉又不准。我们需要一双'化学眼睛'——紫色石蕊溶液。

石蕊的本质
从地衣提取的天然色素,化学上是弱有机酸,简写为 H-Lit
变色口诀
遇酸变红,遇碱变蓝,中性时显紫色——死记口诀不踩坑
变色原理
存在电离平衡 H-Lit ⇌ H⁺ + Lit⁻,分子形态随 H⁺ 浓度切换
CO₂ 实验应用
CO₂ 通入紫色石蕊变红,证明水中生成了碳酸等酸性物质
温度计的水银柱对应 →石蕊的颜色变化

温度计把看不见的温度翻译成柱高;石蕊把看不见的 H⁺ 浓度翻译成颜色

HLitH++Lit\mathrm{HLit} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{Lit^-}
4第 4 页 · 石蕊溶液检验溶液酸碱性

碳酸型饮料中二氧化碳的存

上一页我们用石蕊试液发现, CO₂ 溶于水会生成酸性物质——其实你天天都在喝这个反应。可乐、雪碧、苏打水, 这些碳酸饮料里溶的就是 CO₂。

高压溶解
工厂在高压下把 CO₂ 压入饮料, 大部分以分子形式溶在水里
开瓶逸出
开盖瞬间压力骤降, 溶解的 CO₂ 争相跑出, 形成气泡
形成碳酸
少量 CO₂ 与水反应生成 H₂CO₃, 正是让石蕊变红的那种酸
刺激口感
气泡刺激舌面, 弱酸刺激味蕾, 叠加成碳酸饮料的'杀口感'
拧紧瓶盖的汽水瓶对应 →瓶内 CO₂ 的高压溶解与逸出

瓶盖相当于压力开关: 关紧时把 CO₂ '按'在液体里, 一开盖立刻沿出口冲出

CO2+H2OH2CO3CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3
5第 5 页 · 碳酸型饮料中二氧化碳的存

二氧化碳的溶解性

石蕊变红的酸从哪来?答案在CO2溶于水——而加热冒泡、开盖喷涌这些日常现象,背后也都指向CO2的溶解性。今天从「能溶多少、为何能溶、受什么影响」三层面拆开看。

溶解度不大
常温常压下,1体积水约溶解1体积CO2,远不如NH3等易溶气体
与水可逆反应
溶于水的CO2部分与H2O反应生成碳酸H2CO3,是石蕊变红的化学根源
升温溶解度降
温度升高,CO2溶解度降低——加热汽水冒泡的原理
加压溶解度升
压强增大,CO2溶解度增大——汽水靠加压封存CO2
密封汽水瓶对应 →CO2溶解平衡

瓶盖=气压阀门;密封时高压把CO2压进水里,开盖减压平衡打破,CO2涌出

CO2+H2OH2CO3CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3
6第 6 页 · 二氧化碳的溶解性

二氧化碳不支持燃烧

上页我们把 CO₂ 溶入水中观察到酸性。把燃着的木条伸入装满 CO₂ 的集气瓶中,木条立刻熄灭——CO₂ 为什么能灭火?

自身不可燃
CO₂ 中碳为 +4 价,已是碳的最高氧化态,无法再被氧化
不支持燃烧
密度大于空气,能覆盖火焰、隔绝氧气;本身不能提供氧
灭火器应用
CO₂ 灭火器:窒息灭火、不留残渍,适合电气、精密仪器火灾
锅盖扣灭炉火对应 →CO₂ 不支持燃烧

锅盖挡住空气,炉火因缺氧熄灭;CO₂ 密度大、聚集在火焰四周,隔绝氧气

7第 7 页 · 二氧化碳不支持燃烧

二氧化碳与水反应生成酸性

上一页石蕊变红说明溶液里有 H⁺。问题来了:CO₂ 气体分子里并没有 H⁺,它是怎么让水「凭空」变酸的?答案藏在它与水的两步反应链里。

CO₂ 溶于水
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃,生成碳酸,是可逆反应
碳酸电离
H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻,部分碳酸分子电离出 H⁺
酸性的本质
溶液中 H⁺ 才是使石蕊变红、显酸性的真正来源
碳酸是弱酸
电离程度小、酸性弱;受热易分解 H₂CO₃ → CO₂↑+H₂O
干燥的 HCl 气体对应 →CO₂ 溶于水才显酸性

HCl 气体本身不电离,溶于水形成盐酸才电离出 H⁺;CO₂ 同理,溶于水形成碳酸才电离出 H⁺

CO2+H2OH2CO3H2CO3H++HCO3CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \quad\quad H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-
8第 8 页 · 二氧化碳与水反应生成酸性

二氧化碳使石灰水变浑浊

石蕊试液证明了 CO₂ 溶于水显酸性,但那只是间接证据。想「亲眼看到」CO₂ 的存在?实验室有个经典办法——把气体通入澄清石灰水。

澄清石灰水
Ca(OH)₂ 溶于水形成的透明溶液,溶质以离子形式存在,肉眼看不见
变浑浊的原因
CO₂ 与 Ca(OH)₂ 反应生成不溶于水的 CaCO₃ 微粒,悬浮散射光线
反应方程式
CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O,↓ 标志产物不溶
检验 CO₂ 的应用
现象灵敏且其他气体不干扰,是实验室鉴别 CO₂ 的标准方法
清水里撒面粉对应 →石灰水通 CO₂ 变浑浊

可溶的 Ca(OH)₂ 变成不溶的 CaCO₃ 小颗粒悬浮,像面粉让清水变浊

CO2+Ca(OH)2CaCO3+H2OCO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O
9第 9 页 · 二氧化碳使石灰水变浑浊

实验安全与操作规范

上次实验我们把石灰石和稀盐酸混在一起,看到了气泡、收集了气体——但你有没有想过:酸液突然喷出会怎样?装置漏气会怎样?安全规范就是给这些'万一'提前上锁。

防护先行
护目镜、实验服必戴,防酸液飞溅入眼、沾肤
加酸规范
沿器壁缓慢倒入稀盐酸,反应过激立即暂停
气密性确认
加药品前必查,防止气体逸出与液体喷出
向上排空气
导管伸至瓶底收集,因 CO₂ 密度大于空气
废液中和
反应后废液含稀盐酸,须中和后排入废液缸
开车系安全带对应 →实验防护装备

不是出事了才有用,而是每次操作前就到位——防护是肌肉记忆

10第 10 页 · 实验安全与操作规范

本节要点

  • 固液不加热型装置,块状固体+稀盐酸是制CO₂的标准组合
  • CO₂的检验靠石灰水变浑浊,验满靠瓶口木条熄灭
  • 不助燃、密度大于空气、可溶于水三条性质互为因果
  • 所有气体制取都是先查气密性、再装药品的固定流程
延伸主题:其他气体的实验室制取方法CO₂的循环与温室效应碳酸盐的鉴别方法
11第 11 页 · 本节要点

课后思考

先自己想一想,再读下面的提示——重点是琢磨思路,不必执着标准答案。

1实验室制CO₂用大理石与稀盐酸,若改用稀硫酸或稀硝酸,会出什么问题?

参考答案稀硫酸与大理石生成微溶的CaSO₄,覆盖在大理石表面让反应很快中止;稀硝酸氧化性强,会产生NO等杂质气体,收集到的CO₂不纯。选试剂关键看副产物,不是看酸碱强度。

2CO₂因密度比空气大用向上排空气法收集;氢气密度更小,收集方法该怎么调整?

参考答案氢气可用向下排空气法(瓶口朝下)或排水法。"上下"是表象,方法选择的根本依据是气体密度与水中溶解性——这套逻辑要重新搭,不是简单把"上"换成"下"。

3CO₂能使澄清石灰水变浑浊,但继续通入后浊液反而变清,这说明了什么?

参考答案过量CO₂与CaCO₃、H₂O继续反应,生成可溶的Ca(HCO₃)₂。"变浑浊"只是初步信号,检验CO₂要看通入瞬间是否出现浑浊,不能单凭最终是否澄清下结论。

12第 12 页 · 课后思考
实验活动2 二氧化碳的实验室制取与性质(二) · 知识图解