九年级化学科粤版上册实验室制取二氧化碳知识清单

九年级化学科粤版上册实验室制取二氧化碳知识清单

一、课程内容概述与核心素养定位

本部分内容隶属于科粤版九年级化学上册第五章“燃料”或相关章节中关于二氧化碳的制备与性质探究。其核心知识体系建立在氧气制取的基础之上，是初中化学气体制备的第二个重要范例，也是连接元素化合物知识与化学实验基本操作的桥梁。通过本部分的学习，学生应能初步构建“发生装置—收集装置—检验验满”的气体制备一般思路，并深化对“实验是化学最高法庭”这一学科思想的理解。在核心素养层面，本内容重点发展学生的宏观辨识与微观探析（通过反应原理理解物质转化）、变化观念与平衡思想（理解反应条件对气体产物的影响）、证据推理与模型认知（构建气体制备的通用模型）以及科学探究与创新意识（对实验装置的改进与评价）。

二、实验室制取二氧化碳基础知识清单

（一）反应原理与药品选择【核心】【高频考点】

1、反应原理：实验室通常选用大理石或石灰石（主要成分为碳酸钙）与稀盐酸反应来制取二氧化碳。其化学方程式为：CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑。该反应属于复分解反应。▲★理解该反应的本质是碳酸钙中的碳酸根离子与盐酸中的氢离子结合生成不稳定的碳酸，进而分解为水和二氧化碳的过程。

2、药品选择分析：【难点】

（1）为何选用大理石/石灰石？【基础】因其来源广泛、价格低廉，且在常温下与稀盐酸反应速率适中，易于收集气体。

（2）为何选用稀盐酸而非浓盐酸？【重要】浓盐酸具有极强的挥发性，会导致制得的二氧化碳气体中混有大量氯化氢气体，使气体不纯。

（3）为何不选用稀硫酸？【易错点】稀硫酸与碳酸钙反应生成的硫酸钙微溶于水，会覆盖在大理石或石灰石的表面，形成一层致密的保护膜，阻碍内部碳酸钙与酸的进一步接触，导致反应很快停止，无法持续稳定地获得二氧化碳。

（4）为何不选用碳酸钠或碳酸钾？【拓展】碳酸钠为粉末状固体，与酸反应速率极快，瞬间产生大量气体，不利于收集，且成本相对较高。

3、反应原料的拓展：在特定实验设计下，也可选用鸡蛋壳（主要成分CaCO₃）、贝壳或水垢等代替大理石，以体现化学与生活的联系。

（二）实验装置与仪器清单【基础】【必会】

1、发生装置：固液不加热型。

（1）典型仪器：锥形瓶（或广口瓶、试管）、长颈漏斗、双孔橡胶塞、导气管。

（2）装置核心：长颈漏斗下端管口必须液封，即插入液面以下。【易错点】若不液封，气体会从长颈漏斗口逸出，导致气体损失和实验失败。

（3）替代装置与改进：可使用分液漏斗代替长颈漏斗，优点在于可通过活塞控制液体的滴加速度，从而控制反应速率，获得平稳的气流。也可使用启普发生器或其简易装置，其优点是随开随用、随关随停，便于控制反应的开始和终止。

2、收集装置：向上排空气法。

（1）选择依据：二氧化碳的密度比空气大（约是空气的1.5倍），且能溶于水并与水反应。

（2）仪器：集气瓶、玻璃片、导气管。

（3）操作要点：导气管应伸入集气瓶底部，以利于排尽集气瓶底部的空气，使收集的气体更纯。【重要】

（4）为什么不选用排水法？【高频考点】虽然排水法收集的气体较纯，但二氧化碳能溶于水（1体积水约溶解1体积二氧化碳），且与水反应，会导致气体损耗。但在特定情况下（如测量二氧化碳体积、观察气体产生速率、收集较纯净气体用于性质实验且不考虑溶解损耗时），也可采用排水法（通常用饱和碳酸氢钠溶液代替水，以抑制二氧化碳的溶解）。

3、净化与干燥装置【拓展】【难点】：

（1）除杂：若使用盐酸过浓或担心气体不纯，可增加洗气装置。将混合气体通过盛有饱和碳酸氢钠溶液的洗气瓶，可除去HCl气体（反应为：NaHCO₃+HCl=NaCl+H₂O+CO₂↑，且不产生新杂质）。

（2）干燥：欲制得干燥的二氧化碳气体，可将气体通过盛有浓硫酸的洗气瓶。注意洗气时导管长进短出。

（三）实验步骤与操作要点【操作规范】【必考】

1、检查装置气密性：【基础】连接好装置，将导管一端浸入水中，用手紧握锥形瓶（或试管）外壁。若导管口有气泡冒出，松手后导管内形成一段稳定的水柱，则证明装置气密性良好。▲★对于有长颈漏斗的装置，检查气密性时需先用止水夹夹紧橡胶管，再从长颈漏斗加水，若能形成稳定的水柱且一段时间不下降，则气密性良好。

2、装药品：先向锥形瓶中加入大理石（或石灰石），再通过长颈漏斗或分液漏斗注入稀盐酸。

3、固定装置并收集：将发生装置与收集装置连接好，待导气管口有连续均匀气泡冒出时，再将导管伸入集气瓶中进行收集。【易错点】刚产生的气泡主要是装置内原有的空气，若立即收集会导致气体不纯。

4、验满：【高频考点】将燃着的木条放在集气瓶口（注意：是瓶口，不是瓶内！），若木条火焰熄灭，则证明二氧化碳已收集满。若木条放在瓶内熄灭，只能证明瓶内有二氧化碳，不能证明已满。

5、检验：【高频考点】将生成的气体通入澄清石灰水中，若澄清石灰水变浑浊，则证明该气体是二氧化碳。化学方程式为：CO₂+Ca(OH)₂=CaCO₃↓+H₂O。

6、放置：收集满二氧化碳的集气瓶应盖好玻璃片，正放在桌面上（因其密度大于空气）。

三、核心知识辨析与深度理解

（一）二氧化碳的物理性质与化学性质整合【基础】

1、物理性质：无色、无味的气体，密度比空气大，能溶于水（20℃时，1体积水溶1体积CO₂）。固体二氧化碳俗称干冰，易升华吸热，可用于人工降雨、制冷。

2、化学性质：

（1）不燃烧也不支持燃烧（一般情况，除镁等活泼金属可在CO₂中燃烧）。

（2）与水反应：CO₂+H₂O=H₂CO₃，生成的碳酸能使紫色石蕊试液变红。碳酸不稳定，受热易分解：H₂CO₃=CO₂↑+H₂O。

（3）与碱反应：使澄清石灰水变浑浊（特征反应，用于检验）；与氢氧化钠反应无现象，但能证明（通常借助压强的变化，如塑料瓶变瘪实验）。

（4）与碳反应：CO₂+C=高温=2CO（工业制水煤气的原理之一）。

（二）制取过程中的气体纯度与误差分析【难点】

1、气体不纯的原因分析：

（1）CO₂中混有HCl：使用了浓盐酸或稀盐酸浓度过大。

（2）CO₂中混有空气：收集前未排净装置内的空气。

（3）CO₂中混有水蒸气：未进行干燥（若需要干燥气体时）。

2、收集不到气体的原因分析：

（1）装置气密性不好。

（2）药品失效（如石灰石主要成分不是CaCO₃，或盐酸浓度过低、变质）。

（3）长颈漏斗未液封。

（4）使用了稀硫酸。

3、验满不准的原因分析：

（1）木条未放在瓶口。

（2）燃着木条深入瓶内过多，接触二氧化碳而熄灭，但实际并未集满。

（3）木条燃烧不旺，在空气中本就易灭。

四、跨学科视角下的二氧化碳【拓展】【素养提升】

1、生物学科视角：二氧化碳是植物光合作用的原料，也是呼吸作用的产物。在温室大棚中，常通过增加二氧化碳浓度（俗称气肥）来提高农作物产量，这体现了化学原理在农业生产中的应用。

2、物理学科视角：气体的密度、压强变化是核心。如用向上排空气法收集是基于密度差异；检查装置气密性、用澄清石灰水检验CO₂时液面上升等现象都涉及压强的改变。干冰升华吸热致冷是物态变化的应用。

3、环境科学视角：二氧化碳是主要的温室气体之一，控制其排放（碳中和、碳达峰）是当前全球关注的重大环境问题，这赋予了本部分知识强烈的时代责任感。

4、历史与工程学视角：从拉瓦锡研究呼吸作用，到工业制取二氧化碳的方法（如煅烧石灰石），再到现代碳捕集与封存技术（CCUS），体现了科学认识的演进与工程技术的发展。

五、考点、考向与解题策略

（一）常见题型与考查方式

1、选择题：

（1）考查药品选择的正误辨析。如“下列可用于实验室制取二氧化碳的是：A.大理石和稀硫酸B.碳酸钠和稀盐酸C.大理石和稀盐酸D.木炭和氧气”。【基础】

（2）考查装置图的识别与评价。如“下列装置中，能用于制取二氧化碳并能控制反应速率的是？”。【高频考点】

（3）考查除杂与干燥。如“除去CO₂中混有的少量HCl气体，应选用的试剂是？A.氢氧化钠溶液B.澄清石灰水C.饱和碳酸氢钠溶液D.浓硫酸”。【重要】

2、填空题：

（1）默写化学方程式。【必考】

（2）填写仪器名称。【基础】

（3）简述某一操作（如验满、气密性检查）的步骤与现象。【操作考查】

3、实验探究题：【综合】【拉分题】

（1）装置连接题：给出多套装置，要求连接成一套完整的“发生—净化—干燥—收集—尾气处理”系统。

（2）异常现象分析：如“某同学制得的二氧化碳不能使澄清石灰水变浑浊，请分析可能的原因”。

（3）创新实验评价：展示一套改进装置，要求指出其优点（如节约药品、可控制反应、可循环利用、环保等）和缺点。

（4）定量测定题：结合气体体积的测量（通过排水法测体积，或通过称重法测质量），考查对反应原理的理解和计算能力。

（5）数字化实验题：结合压强传感器、pH传感器等，绘制曲线并分析反应进程。【拓展】

（二）解题步骤与思维模型构建

1、气体制备通用模型：一套完整的气体制备系统应包括四个环节：反应原理→发生装置（根据反应物状态和反应条件选择）→净化装置（根据杂质性质选择除杂和干燥试剂）→收集装置（根据气体密度和溶解性选择）。▲★

2、解答实验评价题三步法：

（1）看原理：反应是否科学、速率是否适中、是否安全。

（2）看装置：是否符合原理要求，有无明显缺陷（如是否液封、导管长短是否正确）。

（3）看操作：是否简便、是否环保、是否节约药品。

3、解答除杂题核心原则：

（1）主剂不反应：除杂试剂只能与杂质反应，不能与被提纯气体反应（如用饱和NaHCO₃除HCl，因为CO₂在饱和NaHCO₃中溶解度很小，且NaHCO₃与HCl反应生成CO₂，相当于补回了损耗）。

（2）不引入新杂质：若必须引入，则需后续步骤除去。

（三）易错点全面总结【警示】

1、药品选择的思维定势：误以为碳酸钙与任何酸都能平稳反应。忽略了稀硫酸生成沉淀阻碍反应的事实。

2、装置连接中的长进短出：洗气瓶用于除杂和干燥时，必须“长进短出”，以保证气体充分与溶液接触。若接反，会导致瓶内压强过大，将液体压出或炸裂瓶体。

3、验满与检验的混淆：验满是证明“已满”，操作在瓶口；检验是证明“是什么”，操作是将气体通入试剂中。

4、气密性检查的时机与操作：应先检查气密性，后装药品。对于有长颈漏斗的装置，检查方法不同于简单装置。

5、反应现象的描述：大理石与稀盐酸反应的现象是“固体逐渐溶解，表面产生大量气泡”，而不是“燃烧”或“发光”。

6、文字表述的规范性：写化学方程式时，注意配平、气体符号（↑）的正确使用。若反应物和生成物中均有气体，则生成物中的气体不标↑（如CO+C=2CO）。

六、拓展性知识清单【高分必读】

（一）工业制取二氧化碳

1、煅烧法：高温煅烧石灰石，化学方程式为：CaCO₃=高温=CaO+CO₂↑。这是工业上制取二氧化碳的主要方法，同时得到生石灰（氧化钙）。

2、副产回收法：在酿酒、发酵等工业生产过程中，会产生大量二氧化碳，可进行回收、提纯、再利用。

3、对比实验室制法与工业制法：实验室制法追求简便、快捷、纯净，产量小；工业制法追求产量高、成本低。

（二）启普发生器原理与简易装置制作

1、启普发生器适用条件：块状固体与液体反应，且反应不需加热。其核心原理是通过压强差实现固液的接触与分离。

2、实验室利用启普发生器或其简易装置制取CO₂的优点：可以随时控制反应的发生和停止。当需要气体时，打开活塞，液体进入容器与固体接触反应；停止时，关闭活塞，产生的气体将液体压回容器底部，固液分离，反应停止。

3、简易装置的构建：如使用破试管、塑料瓶、U型管等设计简易启普发生器，考查学生的创新能力。

（三）数字化实验在二氧化碳制取中的应用【前沿】

1、压强传感器：通过测量密闭体系内压强的变化，可以精确地判断反应速率、反应何时开始、何时停止。

2、pH传感器：可以监测反应过程中溶液酸碱度的变化，从而判断反应的进程和碳酸的生成与分解。

3、温度传感器：可以监测反应是吸热还是放热（大理石与盐酸反应放热不明显，但仍可检测）。

（四）二氧化碳的用途与STS教育

1、灭火：利用其密度比空气大和不燃烧也不支持燃烧的性质。

2、制冷剂：干冰升华吸热。

3、化工原料：制纯碱（侯氏制碱法）、尿素、碳酸饮料等。

4、农业气肥：增强植物的光合作用。

5、超临界流体：用作萃取剂，如萃取咖啡因等。

七、实验常见异常现象及处理预案【实验素养】

1、现象：反应剧烈，产生大量泡沫冲出锥形瓶。

原因：盐酸浓度过大或大理石颗粒太小。

处理：立即暂停实验，更换浓度较低的盐酸，或减缓滴加速度。

2、现象：收集的气体始终不能使木条熄灭。

原因：装置漏气；盐酸浓度过低或已变质；大理石失效。

处理：逐一排查，先检查装置气密性，再更换药品。

3、现象：澄清石灰水不变浑浊。

原因：可能混有HCl，与石灰水反应；石灰水变质；CO₂浓度太低。

处理：检查药品有效性；在通入石灰水前先通过饱和NaHCO₃溶液。

4、现象：长颈漏斗处往外冒气泡。

原因：未液封。

处理：立即向长颈漏斗中补加稀盐酸，