二氧化碳的实验室制取与性质（教学设计）初中化学九年级

二氧化碳的实验室制取与性质（教学设计）初中化学九年级一、教材与学情分析【核心内容】本课选自鲁教版（2024年版）九年级上册第六单元“燃烧与燃料”课题3“二氧化碳的实验室制取与性质”。该部分内容是初中化学的核心实验之一，承载着双重教学功能。其一，它是对氧气实验室制法的延伸与拓展，帮助学生巩固“气体的实验室制取思路与方法”，即通过反应原理确定发生装置，根据气体性质确定收集装置，并进一步理解净化与验满等操作。其二，通过对二氧化碳性质的探究，深化学生对“物质性质决定用途”这一化学学科核心观念的认识，并为后续学习碳的氧化物、酸碱盐等知识奠定基础。本节课将气体制备与性质验证进行有机整合，是培养学生科学探究能力、实验操作技能和证据推理素养的绝佳载体。【学情分析】学生已经学习了氧气的实验室制法，初步具备了选择发生装置（固固加热型、固液不加热型）和收集装置（排水法、向上排空气法、向下排空气法）的认知基础，并掌握了一些基本实验操作，如药品取用、装置气密性检查、酒精灯使用等。然而，学生在将理论知识与具体实验情境结合时仍存在困难，例如根据反应物状态和反应条件自主设计装置的能力有待提升，对多功能瓶的使用及其原理理解不够深入。在性质探究方面，学生对二氧化碳“不燃烧也不支持燃烧”有生活常识，但对二氧化碳与水、氢氧化钙反应的微观本质缺乏系统认识，容易停留在宏观现象层面。此外，学生的实验设计能力、控制变量思想的运用以及基于现象进行逻辑推理的能力是本课时需要重点发展的方向。二、教学目标与核心素养【素养导向】依据《义务教育化学课程标准（2022年版）》，确立本课时教学目标如下：（一）科学探究与实践1.通过探究二氧化碳的实验室制法，能依据反应原理（大理石或石灰石与稀盐酸）分析并选择固液不加热型发生装置，能根据二氧化碳密度大于空气且能溶于水的性质，选择向上排空气法收集装置，并能正确连接仪器、检查气密性、添加药品、收集气体和验满。【核心素养达成点】2.能设计并进行实验，探究二氧化碳的物理性质（密度、溶解性）和化学性质（与水反应、与澄清石灰水反应），并能准确描述和记录实验现象。【实验操作与观察】3.能在教师指导下，运用控制变量法设计对比实验（如二氧化碳使石蕊试液变色的原因探究），初步体验科学探究的一般过程。【科学方法浸润】（二）化学观念1.理解实验室制取气体的一般思路与方法，形成“根据性质选择装置”的系统观。【系统思维】2.认识二氧化碳能与水、氢氧化钙发生化学反应，并能书写相应的化学方程式，初步建立“物质是变化的”基本观念。【变化观】3.通过分析二氧化碳的用途（灭火、光合作用等）与其性质的关系，强化“性质决定用途”的化学观念。【功能观】（三）科学思维1.能对实验中出现的现象（如紫色石蕊试液变红又褪色）进行质疑，并基于证据进行分析推理，得出合理解释。【证据推理】2.能通过对实验室制取二氧化碳与氧气装置的对比分析，发展类比、归纳的思维能力。【模型认知】（四）科学态度与责任1.通过小组合作实验，培养严谨求实的科学态度和团结协作的精神。【合作意识】2.了解温室效应对环境的影响，初步形成低碳生活的意识和可持续发展的理念。【社会责任】三、教学重难点【重点】1.实验室制取二氧化碳的反应原理、装置设计思路及操作步骤。【高频考点】2.二氧化碳与水、澄清石灰水的化学反应及现象分析。【重要】【难点】1.对二氧化碳使紫色石蕊试液变色原因的探究与分析，尤其是排除水、二氧化碳的干扰，构建“CO₂+H₂O→H₂CO₃”的认知模型。【难点】2.长颈漏斗末端液封、启普发生器原理的初步理解及装置气密性检查的规范操作。【实验关键】四、教学方法与准备【教学方法】采用“问题驱动—实验探究—分析建构—应用提升”的教学模式，融合启发式、讨论式、合作探究式等多种教学方法。以一系列递进式问题链引导学生思维，以分组实验作为学生获取知识和技能的载体，以师生对话、生生互评促进知识的内化与迁移。【实验准备】1.教师演示仪器及药品：石灰石（或大理石）、稀盐酸（1：2）、稀硫酸、块状碳酸钠、澄清石灰水、紫色石蕊试液、蒸馏水、小木条、火柴、集气瓶（配玻璃片）、锥形瓶（150mL）、长颈漏斗、双孔橡皮塞、导管（直角、弯管）、橡皮管、试管（若干）、烧杯、矿泉水瓶（收集满二氧化碳）、蜡烛、阶梯铁架、酒精灯、镊子、药匙、试管刷、废液缸。多媒体课件（包含微观动画、装置图对比）。2.学生分组实验器材（四人一组，共8组）：实验所需仪器与教师准备基本相同，每组额外准备一个装有同样高度燃着蜡烛的阶梯铁架台、一个盛有不同颜色水的集气瓶（用于倾倒二氧化碳实验）。五、教学过程（一）情境导入，聚焦课题【创设情境】播放一段“意大利‘屠狗洞’之谜”的短视频或讲述故事：在一个山谷里，人们牵着狗进入一个山洞，狗很快晕倒，人却能安全进出。科学家发现洞内常冒出一股股“气体”。提问：这种神秘的气体可能是什么？它有什么性质才导致“狗死人生”的现象？【学生活动】联系生活常识，猜测可能是二氧化碳，并尝试解释其密度比空气大，聚集在洞穴下方，导致低矮的狗缺氧窒息，人因身高较高而安全。【设计意图】利用神秘故事激发好奇心，引入新课。同时引导学生从密度角度解释现象，复习旧知，为本课性质学习埋下伏笔。【重要】（二）原理探究，优选方案【问题链驱动】实验室中我们如何方便、快捷地制取这种气体呢？我们曾学过哪些制取气体的方法？制取一种气体，首先需要确定什么？【引导回顾】引导学生回顾制取氧气时选择反应原理的思路。明确首要任务是寻找一个能在实验室条件下，反应速率适中、安全、环保、便于操作的反应。【探究活动1】提供几种可能的原料组合：①碳酸钠粉末与稀盐酸；②石灰石（主要成分CaCO₃）与稀盐酸；③石灰石与稀硫酸；④石灰石与浓盐酸。教师演示或播放分组实验视频（为了安全与时间，可由教师演示关键现象）。【观察记录】学生观察并记录各组合的现象：组合①反应剧烈，瞬间产生大量气泡；组合②产生均匀持续的气泡；组合③一开始有气泡，很快停止；组合④产生气泡较快，但有白雾（浓盐酸挥发性）。【分析讨论】引导学生分析：组合①速率太快，不利于收集；组合③生成的硫酸钙微溶于水，覆盖在石灰石表面阻止进一步反应；组合④挥发出HCl气体使CO₂不纯。从而得出结论：实验室最佳原料为石灰石（或大理石）和稀盐酸。【核心内容】【板书核心】反应原理：CaCO₃+2HCl→CaCl₂+H₂O+CO₂↑【高频考点】【追问深化】为什么不用碳酸钙粉末？为什么盐酸浓度不宜太高？引导学生从反应速率和气体纯度角度思考，培养控制变量和优化选择的思维。（三）装置建构，迁移创新【引导】确定了反应原理（固体+液体，不加热），接下来我们该思考什么问题？【温故知新】回忆实验室制取氧气的两套发生装置（固固加热型、固液不加热型），学生很容易迁移到本反应应选用固液不加热型发生装置。【挑战任务1】给定锥形瓶、双孔橡皮塞、长颈漏斗、导管等仪器，请各小组讨论并设计一套发生装置，要求：能随时添加液体，且能保证产生的气体顺利导出。【小组活动】学生动手连接仪器，尝试组装。教师巡视，捕捉典型问题，如长颈漏斗是否插入液面以下等。【难点突破】【展示评价】选取几组具有代表性的装置进行投影展示，让组间互评。教师重点引导分析：长颈漏斗的作用（添加酸液）及其末端的液封原理（防止生成的二氧化碳气体从漏斗口逸出）。【实验关键】【模型建构】引导学生归纳出固液不加热型发生装置的基本模型：容器+密封塞+（可加）液封漏斗/分液漏斗。【任务2】气体如何收集？引导学生分析CO₂的密度（比空气大）和溶解性（能溶于水，通常不用排水法，但为了快速收集或观察溶解性可用），从而确定最佳收集方法：向上排空气法。【追问】如何验满？学生回答：用燃着的木条放在集气瓶口，若熄灭则满。教师强调“放在瓶口”，不能伸入瓶内。【重要操作】【整合装置】引导学生将发生与收集装置连接成完整套装置。并讨论如何检查整套装置的气密性（通常采用微热法或液差法检查发生装置气密性，再连接收集装置）。【基础】（四）动手实践，制取气体【安全提示】强调稀盐酸的腐蚀性，轻拿轻放，规范操作。【分组实验1】学生按照以下步骤动手制取一瓶二氧化碳气体：1.检查装置气密性：关闭导管，从长颈漏斗加水至浸没漏斗末端，继续加水形成一段水柱，静置观察液面是否下降。【非常重要】2.加药品：先加石灰石（块状，用镊子送入锥形瓶，平铺底部），再从长颈漏斗缓缓注入稀盐酸（1520mL）。3.收集气体：立即用向上排空气法收集，导管应伸入集气瓶底部。4.验满：用燃着的木条放在集气瓶口，若熄灭，则已满，用玻璃片盖好，正放在桌面上（思考为什么正放？——密度比空气大）。【教师巡回指导】纠正操作，如长颈漏斗下端是否始终保持在液面下，导气管是否伸入集气瓶底部，验满操作是否规范。并对出现的问题及时记录，集体反馈。【思考与交流】为什么我们收集到的气体有时能使燃着的木条在瓶口熄灭，但伸入瓶中却未立即熄灭？引导学生分析可能原因：装置气密性问题、盐酸浓度偏低导致CO₂纯度不够、收集过早等。【深度思维】（五）性质探究，证据推理【过渡】我们已经成功制取了二氧化碳，它究竟有哪些性质呢？让我们用自己制取的气体来探究。【探究活动2】二氧化碳的密度实验【实验21】将一瓶二氧化碳气体，沿着烧杯边缘缓缓倒入盛有两只高低不同燃着蜡烛的烧杯中。观察现象。【现象】下层蜡烛先熄灭，上层蜡烛后熄灭。【结论】二氧化碳密度比空气大；不燃烧，也不支持燃烧。【基础】【追问】倾倒CO₂时要注意什么？为什么？（引导学生答：沿杯壁缓缓倾倒，防止气流冲散蜡烛，也为了让CO₂更好地沉入底部，保证实验成功。）【探究活动3】二氧化碳的溶解性实验【实验22】向一个收集满二氧化碳气体的质地较软的矿泉水瓶中，迅速倒入约1/3体积的水，立即旋紧瓶盖，振荡。观察现象。【现象】矿泉水瓶变瘪了。【结论】二氧化碳能溶于水（物理性质）。【重要】【深度思考】瓶子变瘪仅仅是因为CO₂溶于水吗？有没有其他可能？（提示：溶解的同时有没有发生化学反应？如果有，气体减少得更多，瓶内压强会更低。这个问题留作悬念，引出下一实验。）【探究活动4】二氧化碳与水的反应——揭秘“石蕊变色”【问题】CO₂溶于水有没有发生化学变化？如何证明？【提供试剂】紫色石蕊试液（遇酸变红）、干燥的紫色石蕊小花、水、CO₂气体。【小组设计】引导学生运用控制变量思想设计实验方案。可能方案如下：①将干燥的石蕊小花直接放入CO₂中；②在干燥的石蕊小花上喷水；③将干燥的石蕊小花喷水后放入CO₂中；④将实验③中变红的小花稍微加热。【分组实验2】学生按照设计的方案进行实验。【记录与推理】现象①：不变红；现象②：不变红；现象③：变红。推理：单独的水和单独的CO₂都不能使石蕊变红，只有二者同时存在时石蕊才变红，说明CO₂与水反应生成了新物质——碳酸（H₂CO₃），碳酸使石蕊变红。【难点突破】现象④：加热后红花变回紫色。推理：碳酸不稳定，受热易分解：H₂CO₃→H₂O+CO₂↑。【板书核心】化学性质1：CO₂+H₂O→H₂CO₃（碳酸能使紫色石蕊试液变红）【高频考点】【探究活动5】二氧化碳与澄清石灰水的反应【生活链接】我们装修房子，刚刷完石灰浆（主要成分Ca(OH)₂）的墙壁，为什么过一段时间会变硬、变白？这与二氧化碳有关吗？【分组实验3】向一支盛有澄清石灰水的试管中，通入（或用玻璃棒蘸取）自己制取的二氧化碳气体。观察现象。【现象】澄清石灰水变浑浊（产生白色沉淀）。【结论与方程式】CO₂+Ca(OH)₂→CaCO₃↓+H₂O【非常重要】【应用】这就是实验室检验二氧化碳气体的原理。【高频考点】【追问】继续通入CO₂，浑浊的液体又变澄清了，这是为什么？作为拓展思考题，为后续学习“碳酸钙与二氧化碳、水的反应（形成可溶的碳酸氢钙）”埋下伏笔。（六）总结提升，构建网络【知识建构】引导学生以二氧化碳为核心，构建本节课的知识网络图，包括：制取：原理（反应物、条件）、装置（发生、收集）、步骤（气密性检查、装药、收集、验满）。性质：物理性质（无色无味气体、密度比空气大、能溶于水）；化学性质（①不燃烧也不支持燃烧；②能与水反应生成碳酸；③能使澄清石灰水变浑浊）。用途：基于性质的用途对应（如灭火——密度大、不燃烧支持燃烧；光合作用——参与反应；制汽水——能溶于水且与水反应；化工原料等）。【板书呈现】教师同步板书，形成结构化知识体系。【归纳方法】再次强调实验室制取气体的一般思路：原理→装置（发生、收集）→检验（验纯/验满）→性质。这是本单元的【核心方法】。（七）迁移应用，挑战思维【变式训练】出示多功能瓶（集气瓶装有两根导管），提问：如何用此装置收集二氧化碳？（从长管进，短管出，因为密度比空气大，空气从短管排出）如何用此装置检验二氧化碳？（瓶内装澄清石灰水，气体从长管进，通过石灰水，观察现象）如何用此装置测量二氧化碳的体积？（瓶内装满水，气体从短管进，水从长管压出，用量筒接水测量）【热点题型】【小组挑战】讨论并回答，鼓励学生画图说明。【布置作业】1.基础作业：完成课后练习题，重点是制取装置的选择和化学方程式的书写。2.探究作业：尝试用生活中的物品（如塑料瓶、吸管、鸡蛋壳、醋等）设计一套简易的二氧化碳制取装置，并尝试用其制取气体并验证性质，下节课分享交流。3.拓展作业：查阅资料，了解自然界中的碳循环以及二氧化碳与温室效应的关系，写一篇300字左右的科普小短文。六、板书设计【课题】二氧化碳的实验室制取与性质（一）实验室制取1.原理：CaCO₃+2HCl→CaCl₂+H₂O+CO₂↑2.装置：发生：固液不加热型（锥形瓶+长颈漏斗）→注意液封！收集：向上排空气法（密度>空气）3.步骤：查→装（先固后液）→收→验满（燃着木条放瓶口）4.检验：通入澄清石灰水→变浑浊Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃↓+H₂O（二）二氧化碳的性质1.物理性质：无色无味气体，密度比空气大，能溶于水。2.化学性质：①一般不燃烧，也不支持燃烧。②与水反应：CO₂+H₂O→H₂CO₃(碳酸能使石蕊变红，H₂CO₃不稳定)③与石灰水反应：CO₂+Ca(OH)₂→CaCO₃↓+H₂O（检验反应）（三）用途（性质决定用途）灭火、光合作用、制汽水、化工