杨军峰    甘肃省教育科学研究院《教育革新》编辑部主任

摘要：CO₂的实验室制取是初中化学重要学习内容之一，教学过程中探究的重点通常为CO₂发生装置的选择与优化，但对试剂的选择、优化较少涉及。本文主要依据 “元素守恒”的思想，结合化学史和实验探究对CO₂的实验室制取的过程中药品的选择进行探究，不仅突破了知识难点，激发学生探究欲望，同时发展了学生“科学探究与创新思维”“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养。

关键词：CO₂的实验室制取；元素守恒；药品优化；教学设计

       一、问题的提出

       CO₂的实验室制取是九年级学生必须完成的八个基础化学实验之一，《义务教育化学课程标准（2011年版）》对本内容的要求是：学生初步学习CO₂的实验室制法^【1】，即要求学生学会有关制取二氧化碳的方法，对制取气体的一般思路有基本了解，包括药品的选择、装置的设计、实验的方法等^【2】。实验室制取气体的一般思路如下图所示^【3】：

在教学实践中，教师大多聚焦于CO₂发生装置的选择与优化，反应原理的选择，气体纯度、反应条件以及反应速率等，对于如何依据质量守恒定律选择药品，如何依据药品价格等对药品进行优化关注较少^【4】。基于以上认识，笔者通过重构内容结构，设计了“实验室制取二氧化碳的药品选择”的实验探究课。

       二、教学设计

       （一）教学目标

       1.依据“化学反应前后元素种类不变”，从常见物质中识别出实验室可以制取CO₂的物质，树立元素守恒的思想。

       2.能结合药品价格、状态及反应条件对实验室可以制取CO₂的药品进行筛选与优化，增强节约成本、降低能耗等意识。

       3.通过物质组成分析以及猜想假设、史料研读、实验设计等途径，发展“科学探究与创新思维”“证据推理与模型认知”等学科核心素养。

       （二）教学流程

          三、教学实录

           环节一  依据守恒探寻药品

  【回顾】实验室为什么选用KMnO₄、KClO₃、H₂O₂等试剂制取O₂？

 【学生】因为它们的组成中都含有氧元素。

 【问题】C、NaCl、CaCO₃、MgCO₃、NH₄Cl这些物质，哪些有可能制取CO₂？你判断的依据是什么？

【学生1】C、CaCO₃、MgCO₃可能会制取CO₂。

【学生2】依据化学反应前后元素的种类不变，C、CaCO₃、MgCO₃组成中都含有碳元素，可能会制取CO₂。

【问题】C如何生成CO₂？该方法是否适用于实验室制取较为纯净的二氧化碳？为什么？

【学生1】碳和氧气点燃后生成CO₂。

【学生2】木炭还原氧化铜粉末生成CO₂。

【学生3】碳和氧气点燃后还会生成CO，得不到纯净的CO₂。木炭还原氧化铜粉末需要高温条件，实验操作繁琐且耗能大。二者都不适合于实验室制取二氧化碳。

【问题】CaCO₃、MgCO₃都含有碳元素，能否制取CO₂？

       环节二 通过史料感悟药品

【问题】西晋张华在《博物志》中有 “烧白石作白灰”的记载，就是将白石（主要成分是CaCO₃）加热到900℃左右会有白灰（CaO）生成。请判断还有别的物质生成吗？张华为什么没有记载？你认为该物质可能是什么？

【学生1】依据元素守恒，不可能只生成CaO，还应该有含碳的物质生成。

【学生2】张华没有记载说明该生成物可能是气体。

【学生3】气体可能是CO₂，也可能是CO，还可能二者都有。

【问题】1755年，英格兰化学家布莱克做了类似实验，将白垩（主要成分是CaCO₃）煅烧，发现质量减了44%。你认为气体是什么？理由是什么？白垩煅烧的化学方程式如何书写？

【学生1】气体是CO₂。依据质量守恒定律，假如白垩的质量为100份，则其完全煅烧后会生成56份质量的CaO，若生成气体是CO₂，质量正好是44份。这与布莱克实验数据吻合。

【学生2】白垩（石灰石）煅烧的化学方程式为CaCO₃^高温CaO＋CO₂↑

       环节三对比分析优化药品

【问题】事实证明煅烧MgCO₃也会发生类似煅烧CaCO₃的反应（分解温度为700℃），它们的市场参考价：500克碳酸镁374元，500克碳酸钙20元。你会选择哪一种药品？

【学生1】还需要考虑试剂的价格因素。

【学生2】从价格的角度实验室制取CO₂最好选择白垩（石灰石）。

【问题】用高温煅烧白垩（石灰石）的方法是否适合实验室制取CO₂？

【学生1】实验室常用的加热仪器是酒精灯，火焰的最高温度为500℃，不能达到反应的要求。

【学生2】如此高的温度需要耗费大量的能源且不安全，不适合实验室制取CO₂。

【问题】实验室制取CO₂气体还需考虑反应的条件。如果选择实验价格相对便宜的白垩（石灰石）作为制取CO₂的药品之一，我们该如何让它在较为温和的条件下放出CO₂气体呢？下面是生活中常用的补钙剂及相关信息。仔细观察后猜想：难溶于水的碳酸钙中的钙元素是如何被人体吸收的？

【学生1】应该是碳酸钙和胃液中的稀盐酸发生了反应，生成了可溶物被人体吸收了。

【学生2】从不良反应嗳气，胃肠胀气等推测有CO₂气体产生。

【演示】碳酸钙D3颗粒与稀盐酸反应并验证产生的气体是CO₂。

【学生】大理石与稀盐酸确实发生了反应，生成的气体能使澄清的石灰水变浑浊，证明是CO₂气体。

【问题】厨房中的纯碱（主要成分Na₂CO₃）与碳酸钙的组成有何相似之处？你认为碳酸钠与稀盐酸可以反应产生CO₂吗？

【学生1】都含有碳酸根离子（CO₃^2-）。

【学生2】它们的组成相似，应该会有产生CO₂。

【分组实验】验证Na₂CO₃粉末、CaCO₃粉末、块状大理石分别与稀盐酸的反应。观察反应速率的快慢。

【学生1】都有CO₂生成，但使用Na₂CO₃粉末与CaCO₃粉末产生CO₂的速率很快，不利于收集。

【学生2】块状大理石产生CO₂的速率适中，有利于收集。实验室可以用块状大理石和稀盐酸反应制取CO₂。

【问题】块状大理石和稀盐酸属于“电性”反应，即正价元素与负价元素结合。反应的化学方程式如何书写？

【学生1】块状大理石和稀盐酸反应的化学方程式为：CaCO₃＋2HCl=CaCl₂＋H₂O＋CO₂↑。

【学生2】从药品的来源、价格的低廉、操作的简便性和安全性等多方面考虑，在实验室里，稀盐酸与块状大理石反应在所有实验中反应速率适中，最适宜做实验室制取CO₂的原料。

       四、教学反思

 

       本教学设计引导学生如何根据质量守恒定律在众多化学物质中快速筛选出实验室制取CO₂的合适药品，强化学生的“元素守恒”的思想，同时通过制取CO₂试剂的选择，帮助学生构建气体制取过程中药品选择的思维模型，通过对CO₂发现史中部分史料的分析，培养学生基于证据进行分析推理的能力。通过比对CaCO₃、MgCO₃、Na₂CO₃组成和结构相似并成功预测它们在一定条件下都可以产生CO₂，很好地渗透了“结构决定性质”的基本观念，学生从微观层面认识物质水平得到了提高。通过创新实验，既适当拓展了教材内容，有利于学生掌握知识、开阔视野，又有利于培养学生的探究精神，学生真正学会了实验室制取气体时如何选择试剂。

       总之，CO₂的实验室制法是巩固和深化气体物质实验室制取的思路和方法、训练基本实验技能及发展学生科学探究能力的重要载体^【5】。教师在教学中应该充分挖掘其中蕴含的学科价值与学科思想，在引导学生掌握学科知识、基本技能、基本方法的同时，培养学生正确的价值观念、必备品格和关键能力。（本文发表在《化学教与学》2022年第6期）

参考文献：

【1】中华人民共和国教育部.《义务教育化学课程标准（2011年）》. 北京师范大学出版社，2012:111.

【2】娄延果.课程标准案例式导读与学习内容要点[M].吉林：东北师范大学出版社，2012:111.

【3】王荣桥等.2021年中考化学复习备考研究[J].中学化学教学参考,2021（03）：45

【4】缪徐.“二氧化碳制取的研究”教学设计及点评[J].中学化学教学参考,2009 （03）：20

【5】杨梓生，吴菊华，林红梁.初中化学教材与教学微研究（上册）[M].上海：上海教育出版社，2017:58.

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