3利用启普发生器进行二氧化碳的制备

利用启普发生器进行二氧化碳的制备、性质实验探究

化学教学论实验论文

摘要：实验用启普发生器中加大理石和稀盐酸，反应产生二氧化碳，用排水法收集4瓶二氧化碳进行二氧化碳物理性质和化学性质的探究实验，主要探究二氧化碳的密度比空气大、不支持燃烧、水溶液呈酸性、能使澄清石灰水变浑浊和镁带在二氧化碳中的燃烧等性质。

关键词：启普发生器；二氧化碳；制备；性质；探究

一、实验目的

1．掌握实验室制取二氧化碳的原理、装置和收集方法。

2．掌握二氧化碳的性质及有关实验现象。

3．学会启普发生器的使用方法。

二、实验仪器和药品

250mL启普发生器1个、脱脂棉1袋、玻璃导管1段、水槽1个、250mL集气瓶4个、毛玻璃片4片、试管4支、100毫升烧杯1个、大烧杯1个、酒精灯1个、石棉网1块、火柴1盒、镊子1个

凡士林、大理石、稀盐酸、石蕊试液、石灰水、镁带、小蜡烛

三、实验原理

1．二氧化碳的制备原理

实验采用向大理石中加入稀盐酸的方法制备CO2，用启普发生器进行反应，并用排水法收集。反应方程式

CaCO3+ 2HC l=CaC l2+ CO2↑+ H2O

2．二氧化碳的性质

物理性质：常温下CO2是一种无色无味的气体，密度比空气大，能溶于水。

化学性质：

（1）CO2不能燃烧，也不支持燃烧

（2）与水反应生成碳酸：

H2O + CO2=H2CO3

碳酸能使紫色石蕊试纸变红

（3）CO2和澄清石灰水反应：二氧化碳和澄清石灰水中的氢氧化钙反应，生成不溶于水的白色物质碳酸钙，使澄清石灰水变浑浊。

CO2 + Ca (OH)2 =CaCO3↓+ H2O

利用此反应可以鉴定CO2的存在

（4）镁在CO2中能燃烧，生成白色的氧化镁和黑色的碳:

Mg + CO2加热

MgO + C

3．启普发生器的使用

（1）启普发生器是一种实验室常用的气体发生装置，由荷兰科学家P.J.启普（Petrus Jacobus Kipp）发明，并以他的姓命名。它由球形漏斗、容器和导气管三部分组成。适用于块状固体与液体在常温下反应制取气体，如氢气、硫化氢等。块状固体在反应中很快溶解、或变成粉末时，不能用启普发生器。如果生成气体难溶于反应液，可以使用。如二氧化碳可溶于水，但难溶于盐酸；故用石灰石与盐酸反应制二氧化碳时可用启普发生器。启普发生器不能加热。

图1（启普发生器）

（2）工作原理（以用稀盐酸和碳酸钙固体制取氢气为例）

打开活塞，容器内压强与外界大气压相同，球形漏斗内的稀盐酸在重力作用下流到容器中，与碳酸钙接触，反应产生二氧化碳气体；关上活塞后，由于酸液继续与碳酸钙接触，二氧化碳气体仍继续生成，此时容器内部压强大于外界大气压，压力将酸液压回球形漏斗，使酸液与碳酸钙脱离接触，二氧化碳气体不再产生。

（3）使用方法

a. 检查气密性：开启旋塞，向球形漏斗中加水。当水充满容器下部的半球体时，关闭旋塞。继续加水，使水上升到长颈漏斗中。静置片刻，若水面不下降，则说明装置气密性良好，反之则说明装置漏气。漏气处可能是容器上气体出口处的橡皮塞、导气管上的旋塞或长颈漏斗与容器接触的磨口处。如漏气，应塞紧橡皮塞或在磨口处涂上一薄层凡士林。

b．加入药品：固体试剂由容器上的气体出口加入，加固体前应在容器的球体中加入一定量的玻璃棉或放入橡胶垫圈，以防固体掉入半球体中。加固体的量不得超过球体容积的1/3。液体试剂从长颈漏斗口注入，注液方法与上述注水方法相同。液体的量以反应时刚刚浸没固体，液面不高过导气管的橡胶塞为宜。

C．具体操作：加完药品后，打开导气管上的旋塞，长颈漏斗中的液体进入容器与固体反应，气体的流速可用旋塞调节。停止使用时，关闭旋塞，容器中的气体压力增大，将液体压回长颈漏斗，使液体和固体脱离，反应停止。

四、实验步骤

1．CO2的制备和收集

如图2所示搭好装置，检查启普发生器的气密性后，按启普发生器的使用方法加入适大理石和稀盐酸，制备并用排水法收集4集气瓶CO2。

图2（CO2的制备与收集装置）

实验现象：稀盐酸与大理石混合后，产生大量的气泡，大理石逐渐溶解。

2. CO2的性质实验探究

（1）验证CO2的密度比空气大

操作步骤：在一个500mL大烧杯中放置两支小蜡烛，其中一支垫在倒放的100mL烧杯上，用坩埚钳夹着燃着的火柴将两支小蜡烛都点燃，将收集满气体的集气瓶放在烧杯口在两支蜡烛较中间的位置，慢慢推开毛玻璃片向下倾倒二氧化碳气体，观察。

实验现象：很明显的看到一开始两支蜡烛都燃烧有火焰，倾倒气体后垫在100mL烧杯上的蜡烛先熄灭，一会后另一支蜡烛也熄灭。如图3所示。

图3（向燃着的小蜡烛倾倒CO2气体）

（2）探究CO2水溶液的酸性

操作步骤：取四支试管分别加入适量等体积的自来水、通满CO2气体的自来水（先加自来水，后用产生CO2气体的导气管通入试管中一段时间）、稀盐酸，澄清石灰水，往三支试管中各滴加两滴紫色石蕊溶液，观察。

实验现象：装自来水和澄清石灰水的试管都变蓝色，装通满CO2气体的自来水和稀盐酸的试管都变淡红色。

（3）验证CO2能使澄清石灰水变浑浊

操作步骤：向收集满CO2气体的集气瓶里滴加适量澄清石灰水，观察。再将产生CO2的导气管通入装有澄清石灰水的烧杯中，观察。

实验现象：集气瓶底出现白色混浊。烧杯中未出现白色混浊，但是通了较长时间二氧化碳气体后，烧杯中石灰水仍不变混浊，向烧杯中加入少量澄清石灰水，可以观察到有白色混浊出现又消失的现象。

（4）镁带在CO2中燃烧的探究

操作步骤：用镊子夹着镁带在酒精灯外焰上引燃，迅速放入收集满二氧化碳的集气瓶中，缓慢将镁带伸入集气瓶底部，使CO2反应完，观察。将燃烧完后的镁带取出观察，并放在酒精灯外焰上灼烧一段时间，观察。将在酒精灯上灼烧完后的产物分成两部分，分别加入装有自来水和稀盐酸的试管中，观察。将留在镊子上燃烧不充分的镁带加入装有稀盐酸的试管中，观察。

实验现象：镁带在CO2中剧烈燃烧，发出耀眼的光芒，摸集气瓶感到微热。取出后的产物上铺满了白色粉末和黑色点状物。将燃烧产物进行分析的实验过程和现象如表1。

燃烧不充分的那部分镁带在稀盐酸中产生大量气泡。

五、注意事项

1.用打湿的脱脂棉缠绕在球形漏斗的下端，可以防止细颗粒大理石粉末掉入容器底部与稀盐酸反应。

2.块状大理石应从容器球形体的上口加入。取出球形漏斗，让容器横放在桌面上，将适当大小的固体从大口装入球形体内，不要使固体落入半球体中。装入固体的量以不超过球体容积的1/3为准。将球形漏斗插入并插牢后，竖立容器，轻轻摇动，使固体分布均匀。

3．加入液体（或溶液）反应物可将液体（或溶液）从球形漏斗注入。注入时应先开启导气管的活塞，待注入的液体一直与固体接触后，即关闭导气管的活塞，再继续加入液体至液体进入球形漏斗上部球体的1/4-1/3处，以便反应时液体可浸没固体。不要过多，否则在反应中液体可能冲入导气管。

4．使用完启普发生器后，剩余的酸液应从下方的液体倾倒口倒出。在清洗完启普发生器后，应在磨砂口处放置张纸，防止下次使用时磨砂口粘连。

5．向放有小蜡烛的烧杯中倾倒二氧化碳气体时，应在两支蜡烛水平方向的中间倾倒效果较好。

六、探究与思考

1.启普发生器的适用范围

“初中化学关于启普发生器的适用范围有这样的叙述:“凡利用块状固体跟液体起反应制取气体,只要反应不需加热而且生成的气体难溶于水,就可应用这种仪器。”我认为:“而且生成的气体不溶于水”这个限制条件是不必要的,甚至是错误的。因为启普发生器是用来制取气体,而不是用来收集气体的装置,气体的水溶性只影响收集方法,对于用什么容器制取并不发生很大影响。因此,“而且生成的气体不溶于水”的限制可以省去,把启普发生器的适用