启普发生器制备二氧化碳及二氧化碳的性质探究

启普发生器制备二氧化碳及二氧化碳的性质探究（韦春莉 10111550109 ）一启普发生器制备二氧化碳 、1、启普发生器是一种实验室常用的气体发生装置，以荷兰的D.J.启普的姓命 名。它用普通玻璃制成，构造见下图。适用于块状固体与液体在常温下反应制取 难溶的气体，如氢气、二氧化碳，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。只要生成的气体难溶于反应液才可，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。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，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，二氧化碳气体依然生成，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、使用范围启普发生器是用固体与液体试剂在常温条件（不用加热）下起反应制取气体 的典型装置。如氢气、二氧化碳、硫化氢等均可以用它来制取。但对于固体呈粉 末状或固体与液体相遇后溶解或反应时产生高温者，如二氧化硫、二氧化氮等， 都不适宜用此装置制取。（一）启普发生器的使用方法1、启普发生器的气密性检查方法关闭导气管的活塞，继续从球形漏斗注入水至漏斗1/2处时，停止加水，并 标记水面的位置，静置如下图（图1），然后观察水面是否下降。若水面不下降，则表明不漏气。若漏气，则应检查原因，可从导气管活塞、容器和胶塞以及球形 漏斗的连接处去检查，并加以处理。2、反应中途固体和液体反应的添换方法通常在反应中，固体反应物将近用完或液体（或溶液）浓度变稀时，反应变 得缓慢，生成的气体不够用，则应添加固体或更换液体（或溶液）。添加固体的方法：先关闭导气管的活塞，将球体内的液体压出，使其与固体 脱离接触，然后用橡皮塞塞严球形漏斗的上口（防止球形漏斗里的液体下降冲入 容器球体部分，使反应发生）。再拔下导气管上的塞子，将固体从导气管塞孔添 加（图7），然后，重新塞紧带导气管的塞子，再拔下球形漏斗口上的橡皮塞。圈7中途添加固体中途添换液体（或溶液）的方法：比较方便而又常用的一种方法是，关闭导 气管的活塞，将液体压入球形漏斗中，然后用移液管将用过的液体抽吸出来（图8）。当然也可用虹吸管吸出液体。吸出的液体量应依需要而定。吸出废液后， 再添加新液体。囹8中途更换演体（一）另一种方法是，从半球体上的下口塞孔放出废液。关闭导气管的活塞，把液 体压入球形漏斗中，然后用橡皮塞塞严球形漏斗的上口。把启普发生器先仰着放 在废液缸上，使下口塞附近无液体，再拔下塞子（戴上橡皮手套或用钳子去拔， 不要用于直接拔，以免腐蚀皮肤），然后使发生器下倾，让废液缓缓流出。废液 流出后，再把塞子塞紧，直立启普发生器，从球形漏斗口注入新液体（或溶液） （图 9）。中途锁裱体（二）选仰（b）拔塞3）倾倒若要搬动或移动启普发生器，则要注意用手握住容器的凹进部分所谓 “蜂腰”图10（a）；或用一手握持容器球形部分的上口颈部，另一只手托住半 球体底部图10（b），但绝不能只用一只手握住球形漏斗提着它移动图10（c）， 这样，会使容器部分脱落，不仅会损坏仪器，而且可能造成伤害事故。图1口启晋发生器的搬动启普发生器使用以后，如放置一段时间再用，则最好将球形漏斗中的液体试 剂（如酸液等）用移液管吸出一部分，剩下的液体即使完全落入半球体也不能与 固体试剂接触（如图11），这样可避免在放置过程中因容器慢慢漏气，使球形 漏斗中的液体逐渐落入半球体，以至最后与固体试剂接触而发生反应。这不仅浪 费试剂，还会使反应生成物（如ZnSO4、CaCl2等）在半球体内析出大量结品， 甚至在球形漏斗与容器缝隙处形成粘结，造成洗刷容器的困难。图11启普发生器的存放3、注入液体（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，再继续加入液体全液体进入 球形漏斗上部球体的1/41/3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，应如何处理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。（二）启普发生器使用中的常见问题及解决办法1、若CaCO3是粉末状，应该怎么办？加一多孔的橡皮圈。从橡皮塞，或从废自行车内胶胎，切下一块大小合适的 圆形橡皮片，在橡皮片中间打一大孔（能恰好紧套在球形漏斗颈的相应部位）， 大孔周围打许多小孔或剪成许多小细齿图5（a），然后把多孔（或多齿）橡皮 圈套在球形漏斗颈上图5（b），装上容器，使橡皮圈恰好挡在缝隙处。a)( b)图5防止较小固体漏下我们也可以选择简单且原理易得的方法，如用打湿的脱脂棉缠绕在球形漏斗 的下端。这样即缩小了空隙又不影响液体的上升。也可在孔道上填塞一些玻璃纤 维；或堆放些碎玻璃管，或放置一圈小玻璃球(直径78mm)；或用尼龙绳(或 塑料电线外皮)缠绕在球形漏斗颈的合适部位。2、若CaCO3是大块状固体，应该怎么办？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为准图3(a)。将球形漏斗插入并插牢图3(b)后，竖立容 器，轻轻摇动，使固体分布均匀3(c)。（b）八）匿3装埴固体方法（一）二、二氧化碳的性质实验实验设计思想：通过观察、思考和实验，对比归纳出二氧化碳的物理性质和化学性质。实验原理：二氧化碳密度比空气大，能溶于水；通常情况下二氧化碳不能燃烧也不能支持燃烧；二氧化碳能和水反应生成碳酸，酸能使紫色石蕊变红；二氧化碳能与澄清石灰水反应，生成碳酸钙。实验目的：通过实验，了解二氧化碳的物理性质和用途。通过实验及实验分析，掌握二氧化碳的化学性质。实验用品：蜡烛、二氧化碳气体、紫色石蕊试液、澄清石灰水、蒸馏水；烧杯、试管、玻璃片、滴管等。（一）关于二氧化碳的收集方法的一些思考二氧化碳的制备方法及原理我们都是非常熟悉的，不再赘述。现就二氧化碳 的收集方法进行探究。二氧化碳密度比空气大，能溶于水，如果用排水集气法收集的话，会使产生 的二氧化碳部分溶解，溶解的二氧化碳也会和水进行反应造成药品浪费。所以理 论上我们在收集二氧化碳气体时应该选用向下排空气法收集。而在实际操作中，我们发现用向上排空气法收集二氧化碳不适合用来做性质 实验。我们制取二氧化碳时选用的是按体积比1:3的盐酸，此酸浓度较高，有挥 发性。在收集气体的时候观察到在第一瓶二氧化碳收集满的时候有白色的烟雾冒 出，凑近闻时能够闻到刺鼻的酸味。就此，可以初步断定，由于选用的盐酸有挥 发性，所以我们收集到的二氧化碳气体中夹杂着氯化氢气体。如果将收集到的气 体不做任何处理就用于性质实验，那么所得的结论就无法得到合理的解释。首先，当我们验证二氧化碳和水反应时，是将生成的二氧化碳气体通入紫色 的石蕊试液，通过观察石蕊试液变成玫红色来证明二氧化碳和水反应生成碳酸。 如果将带有盐酸的二氧化碳通入水中，我们就无法得出以上的结论，因为我们无 法确定使石蕊试液变成玫红色的究竟是碳酸还是盐酸。其次，在当天的实验过程中，小组在做到向澄清石灰水中通入二氧化碳中时， 并没有看到预期的澄清石灰水变浑浊的现象。根据上面观察到的现象，我们猜测 有可能是气体的酸性（氯化氢）过大，氯化氢和氢氧化钙反应生成了溶于水的氯 化钙，导致我们无法看到沉淀。（也可能是澄清石灰水放置的时间太长，石灰水 已变质，要用上课前两小时新制的石灰水。还有可能是通入的二氧化碳气体太少 或太多。）综上所述，用向上排空气法收集的二氧化碳气体是不合适拿来做性质实验的， 如果一定要用向上排空气法来收集气体，需要将收集到的气体做进一步的处理， 如将气体通过装有碳酸钠粉末的干燥管等。我们也可以考虑选用排水集气法来收集二氧化碳。因为氯化氢溶于水，所以 利用排水集气法收集得到的二氧化碳排除了氯化氢气体。但排水集气法会造成二氧化碳的浪费。以下几个方法可以解决这一问题。1加大药品的使用量。2根据气体在水中的溶解随着温度的升高而减小这一原理，选择排热水的方 法来收集二氧化碳。3根据二氧化碳在饱和碳酸氢钠溶液中的溶解度较低的原理用排饱和碳酸 氢钠溶液的方法来收集二氧化碳。（二）二氧化碳的性质实验需注意的一些问题1、倾倒实验1最佳视野在做演示实验时，一定要把最好的视野留给学生，要让学生能够清楚的观察 到实验现象。选择小组里一人观察操作者的操作手法（要沿两支蜡烛中间的烧 杯壁慢慢地倒入，不能从火焰顶部倾倒；要将玻璃片盖上移出1/3的瓶口倾倒） 是否准确得体，能否让观众获得最好的观察视野。（如图九）（图九：能观察到两支蜡烛一上一下，操作者沿着两支蜡烛中间的烧杯壁倒，玻 璃片上移1/3）2选取合适的倾倒位置选取合适的倾倒位置，最好是在两支蜡烛的中间。（如图九）若倾倒位置不 正确会很容易发生在下面的那支蜡烛先熄灭的尴尬现象。3控制变量最好选取两支火焰燃烧情况差不多的蜡烛，使实验演示更有说服力。4选取大小合适的烧杯本组在进行此实验前观察到其他组因选取了较大的烧杯而导致实验失败，于 是本组成员在吸取他组实验失败的经验，选取了一个较小的烧杯，并成功做成实 验。我们小组认为大的烧杯不成功的原因有可能是集气瓶中的二氧化碳不足以使 大烧杯中产生缺氧的环境而使实验失败。2、二氧化碳和水反应的性质反应1排除酸雾对实验的影响如前所述。（需要将收集到的气体做进一步的处理，如将气体通过装有碳酸 钠粉末的干燥管等；也可以考虑选用排水集气法来收集二氧化碳。）2排除试剂的影响。做石蕊试液在蒸馏水中和自来水中颜色的对照，来判断哪种液体对反应的影 响较小。从实验结果我们可以看出，自来水显酸性。（如图十）（图十：左边试管装蒸馏水，右边试管里装自来水）所以我们用蒸馏水来做二氧化碳的性质实验。3空白对照实验在做二氧化碳和水反应时，需要用蒸馏水做空白对照实验，这样才能使得实 验结果更准确更直观。在做颜色变化的反应时，我们需要用三根手指来拿取试管， 以求使学生获得最好的观察视野。在颜色对比不明显时，可以用白纸垫在试管后 帮助学生观察。（如图十一）（图十一：左边试管为蒸馏水，中间试管为通入二氧化碳的蒸馏水，右边试管为 加了少量碳酸氢钠的蒸馏水）3、镁条和二氧化碳的反应1镁条长度对实验的影响镁条在氧气中的燃烧比较剧烈，如果镁条过短，在二氧化碳中的反应时间过 快，就无法使学生清楚的观察到反应现象。2防止污染在做集气瓶的燃烧实验时，我们需要将集气瓶的瓶口用玻璃棒盖住，防止生 成的产物排放到空气中，造成污染。4、二氧化碳与澄清石灰水的反应实验失败，并没能观察到石灰水变浑浊，我们猜测有可能是气体的酸性（氯 化氢）过大，氯化氢和氢氧化钙反应生成了溶于水的氯化钙，导致我们无法看到 沉淀。(也可能是澄清石灰水放置的时间太长，石灰水已变质，要用上课前两小 时新制的石灰水。还有可能是通入的二氧化碳气体太少或太多。)三、关于整个实验的一些问题及解答1、实验室为什么不用石灰石和稀硫酸来制二氧化碳？答：因为稀硫酸与石灰石反应生成的硫酸钙微溶于水，其中不溶物就覆盖在石灰石表面，是 反应不能进一步进行。大理石或石灰石的主要成分是碳酸钙。碳酸盐跟酸起反应，一般都有二氧化碳生成。若选用 可溶性的碳酸盐(如碳酸钠等)，与酸反应速度过快，难以控制；若选用不溶性碳酸盐(如 碳酸镁等)，则其来源一般较少。大理石或石灰石与酸反应适中，其在自然界中含量也极其 丰富，价格低廉。所以，选用大理石或石灰石制二氧化碳。2、如何验证二氧化碳气体已收集满？答：开始反应片刻后，划一根火柴，把燃着的火柴放到集气瓶口的上方，如果火柴很快熄 灭说明集气瓶中已经受集满二氧化碳气体，盖好毛玻璃片，将集气瓶口向上放在桌子上备 用。3、如何检验久置的石灰水已全都变质？答：变质后的产物是碳酸钙及碳酸氢钙Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2OCaCO3+CO2+H2O=2Ca(HCO3)2(1加入酚酞，如果酚酞没有变红，则全部变质。(2过滤沉淀，再通入CO?，没有沉淀生成，则全变质。(3加入CuSO4溶液，如果没有蓝色沉淀生成，则全变质。(4加MgCl2溶液，如果没有白色沉淀生成，则全变质。(5加盐酸，有气体产生说明变质；取清液，加CO2未见沉淀说明完全变质。四、二氧化碳性质实验的改进课 本 装 置稀盐酸和石灰石T律洞的蓝色石荔试耻湿桐的蓝色 石建试祇B图4试验COw密度比空气大不支持燃烧，本身也不燃烧：与水反应生成碳酸1、实验方法图5碳酸受技分解改 进 后 装 置取一个三通管，在三通管的上部和下部各放一张湿润的蓝色石蕊试纸。然后将 它与二氧化碳的发生装置连接(见图4)。(2) 打开分液漏斗的活塞，使之产生C02。不一会儿，观察到下部的试纸B变红， 而上部的试纸A不变色。证明了:一氧化碳的密度大于空气;二氧化碳能与水 反应生成碳酸(3) 将一燃着的木条放在二通管的上口，观察到木条火焰没有明显变化。再把燃着 的木条放在二通管的下口处，观察到木条立即熄灭。由此既证明了一氧化碳的密 度大于空气，同时还证明了一氧化碳既不能燃烧，一般也不支持燃烧的性质。(4) 完成上述步骤后，将二通管取下，把贴有试纸B的那端放在酒精灯火焰上加 热(见图5)。很快观察到试纸B由红色重新变成蓝色。说明碳酸不稳定。2、改进后实验的优点实验微型化，既节约药品，也便于上课时携带。特别是改用图4装置后，不需 要在课前准备大量的一氧化碳，因此对多个平行班的教学尤为有利。(2) 操作简便，现象明显，成功率高。例如由图4装置的两步操作，就能达到课木 二个实验、多套装置才能达到的实验目的。且按图2装置进行实验时，若集气瓶 的位置不对，或倒入CO2时的速率不当，都会导致实验失败。(3) 快捷省时，效果显著。例如用图5实验验证碳酸的不稳定性，只需几秒钟，远 远快于图3装置的实验。(4) 由于装置小巧，便于课堂上巡视，增强了实验效果。