巧用干冰设计二氧化碳性质系列实验*

马逸群 魏 海 吴国庆 李德前

在现行各种版本的初中化学教科书中，二氧化碳性质实验一般使用集气瓶里的二氧化碳气体，或直接使用来自气体发生装置内的二氧化碳气体。在中学化学实验教学中，巧妙利用干冰易升华的特性，直接利用干冰代替二氧化碳气体在开放的空间里进行二氧化碳性质系列实验，增强了实验教学的效果。

一、实验原理

随着社会需求的多元化，干冰已成为日常生活中比较常见的物品，通过线上购买很容易获得。

干冰是固态的二氧化碳，当温度高于-78.5 ℃时会直接升华为二氧化碳气体，同时吸收大量的热(使得周围空气快速冷却，如果环境中水蒸气含量较大还会出现大量白雾[1])。因此，通过足量的干冰不断升华，就可以源源不断地获得流动的二氧化碳气体，以此进行二氧化碳性质系列实验，能给实验教学带来意想不到的效果与精彩呈现。

二、实验用品

主要有塑料水槽、小烧杯、小气球、火柴、手套、护目镜、抹布等，干冰、石灰水、镁带、蒸馏水、蜡烛、石蕊纸花等。

三、实验步骤

(1)线上购买干冰(备用)。

(2)在实验桌上放置一个塑料水槽，将0.5 kg左右的干冰放入水槽里。再取一个小气球，充入适量的空气至大小合适为止，并扎紧气球口，然后将小气球放到水槽口正上方10 cm左右的高度，慢慢松开手，可以观察到小气球悬浮在干冰上方而不会降落(如图1所示)。

本实验中充满空气的小气球也可以用肥皂泡代替，即利用儿童玩具吹泡器，在干冰的正上方吹出大量的肥皂泡，可以观察到肥皂泡悬浮于水槽上方，并处于轻微的飘荡状态。

图1 小气球悬浮演示实验

(3)自制两朵石蕊纸花，一朵保持干燥，一朵喷水湿润，再将它们分别固定在粗铁丝上；然后，将两朵纸花同时放在水槽口处，很快观察到干燥的石蕊纸花不变红，湿润的石蕊纸花变红色(如图2所示)。

图2 石蕊纸花变色实验

(4)取一段长10 cm左右的镁条，打磨表面的氧化膜，将其插入干冰中，注意使镁条上端露出1 cm左右、下端离水槽底部有2 cm左右(如图3所示)；将镁条点燃，暴露在空气中的镁条立即燃烧，紧接着在干冰中的镁条继续剧烈燃烧，发出耀眼的白光，产生大量的白烟，放出大量的热；燃烧结束，发现干冰上散落着黑色固体和白色固体。

图3 镁条在干冰中剧烈燃烧实验

(5)在靠近水槽的左边桌面上，固定高低不同的两支蜡烛，注意使高蜡烛顶端高于水槽的边口、矮蜡烛顶端明显低于水槽的边口；在靠近水槽的右边桌面上，放置盛有适量澄清石灰水的小烧杯(如图4所示)。点燃两支蜡烛，然后将适量的热水倒入水槽中，立刻有大量的白雾从水槽中喷涌而出，非常壮观，而且绝大部分白雾顺势而下；同时看到矮蜡烛立即熄灭，高蜡烛没有熄灭；再振荡小烧杯里的澄清石灰水，石灰水瞬间变浑。

图4 干冰注入致蜡烛熄灭实验

四、现象分析

充满空气的小气球能够悬浮于干冰的正上方，据此并结合物体的浮沉条件不难推出，二氧化碳气体的密度比气球中气体的密度大，即二氧化碳气体的密度比空气大。

石蕊纸花接触到二氧化碳气体后，干燥的不变色、湿润的变红色，说明水与二氧化碳反应生成酸性物质，有关的化学方程式是CO2+H2O= H2CO3。

镁条能在干冰中剧烈燃烧，说明二氧化碳可以支持镁等活泼金属的燃烧，有关的化学方程式是。进而可知，二氧化碳气体在一般条件下不燃烧、不支持燃烧，但活泼金属引起的火灾不能使用二氧化碳扑灭。

向干冰中加入适量的热水，立即出现非常明显的云雾现象，说明升高温度可以加快干冰升华，且干冰升华会引起环境温度降低。产生的白雾主要向下流淌，说明二氧化碳气体的密度比空气大。

矮蜡烛熄灭、高蜡烛没有熄灭，说明通常情况下二氧化碳气体不燃烧、不支持燃烧，且二氧化碳气体的密度比空气大；放在水槽边的澄清石灰水变浑浊，说明二氧化碳与氢氧化钙反应生成不溶性的物质，有关的化学方程式是CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O。

干冰升华后，产生密度大于空气的二氧化碳气体能够大量地逸出水槽，充分说明二氧化碳分子在不停地运动，即微粒具有运动性[2]。

五、实验优点

利用干冰设计的二氧化碳性质系列实验，过程清晰、操作简洁、实验安全、现象生动，能够激发学生学习化学的好奇心。

镁能在二氧化碳中燃烧的事实，不仅培养了学生的辩证唯物主义观点，同时发展了学生的理性思维，使他们认识到化学反应条件的重要性及可控性。

利用干冰设计化学实验，丰富了化学实验教学资源，开阔了学生的眼界，有利于提高化学实验教学的有效性。

加深了学生对干冰性质及用途的认识，提高了学生对身边化学物质的探究欲望，促进了学生化学核心素养的发展。

六、注意事项

干冰不要严严实实地密封于容器内，以防内压过大而引起爆炸；可以放在干冷的保温瓶里，并使瓶口稍微透气。

进行上述实验要戴上手套，以防干冰冻伤人手；进行镁的燃烧实验，还要带好护目镜，以防强光伤害人的眼睛和皮肤[3]。