初中化学九年级上册《二氧化碳的实验室制取》教案

初中化学九年级上册《二氧化碳的实验室制取》教案

一、教学内容分析

《义务教育化学课程标准（2022年版）》对本节内容的要求是：“初步学习二氧化碳的实验室制取方法”。这不仅是初中化学气体制备知识体系中的核心模块，更是学生系统学习科学探究方法、发展“科学探究与实践”核心素养的关键载体。从知识图谱看，它上承氧气、氢气的制取原理与装置知识，下启对气体性质的系统研究，是构建“反应原理决定发生装置、气体性质决定收集与验满方法”这一核心思维模型的关键一环。从过程方法看，本节课是学生将科学探究一般步骤（提出问题、猜想与假设、设计实验、进行实验、得出结论、交流评价）应用于解决真实化学问题的典型实践场，尤其侧重于“设计实验”与“进行实验”环节。其素养价值在于，通过从原理到装置的完整探究历程，培养学生基于证据进行推理、批判性评价方案、系统化解决复杂问题的科学思维，并感悟化学实验的严谨性与创造性。

教学对象是九年级学生，他们已初步具备操作简单实验仪器的能力，并学习了氧气、氢气的实验室制法，对“固液不加热型”发生装置和“排水法”、“向上排空气法”有基本认知。然而，学生存在的认知障碍可能在于：一是思维易碎片化，难以自主构建制取气体的一般思路模型；二是对装置的选择与优化多停留于模仿记忆层面，缺乏从反应物状态、反应条件、气体性质等多维度进行系统分析的意识；三是科学探究能力尚在发展中，设计对比实验、控制变量的能力较弱，分析评价方案时常感无从下手。因此，教学需以学生已有经验为起点，搭建结构化、进阶性的探究阶梯，通过任务驱动和合作学习，引导学生完成从经验到模型、从模仿到创新的认知跃迁。

二、教学目标

知识目标：学生能准确书写实验室制取二氧化碳的化学方程式，并理解选用大理石（或石灰石）与稀盐酸反应的科学依据。学生能系统阐述实验室制取气体的一般思路，并能根据反应原理（反应物状态与条件）合理选择、组装、评价和改进气体发生装置，根据气体性质（密度、溶解性、毒性等）选择收集方法与验满方式，形成结构化知识网络。

能力目标：学生能基于教师提供的素材，通过小组合作设计出二氧化碳制取与收集的初步方案。在教师的引导下，学生能亲自动手、规范操作，成功制取并收集一瓶二氧化碳气体。学生能够运用对比、分析、归纳等科学方法，对不同的发生装置进行评价与优化，并能清晰、有条理地表达自己的设计思路与实验结论。

情感态度与价值观目标：通过探究装置优化的过程，学生能体会化学实验设计中的严谨、安全与创新意识。在小组讨论与方案分享中，学生乐于倾听他人意见，敢于质疑与修正，形成合作、包容的科学交流氛围。通过了解二氧化碳制取与“碳中和”等社会议题的联系，初步建立化学知识服务于社会可持续发展的责任感。

科学（学科）思维目标：重点发展学生的模型建构与系统化思维。引导学生在具体的气体制备任务中，主动建构并应用“原理→发生装置→收集方法→检验验满”这一系统性思维模型。通过分析多种装置的优缺点，培养学生多角度、批判性分析问题的能力，理解“结构决定功能”的化学思想。

评价与元认知目标：学生能借助教师提供的“实验方案评价量表”，对自己及同伴的设计方案进行初步评价。在探究活动后，能够通过绘制思维导图或流程图，反思并提炼本课的核心学习路径与思维方法，清晰地知道自己“学到了什么”以及“是如何学会的”。

三、教学重点与难点

教学重点为二氧化碳实验室制取的化学反应原理与发生装置、收集方法的选择依据。其确立依据在于，该内容是《课程标准》明确要求的核心知识与技能，是构建气体制备一般方法模型的基石，也是中考化学实验考查的高频与核心考点。掌握此重点，意味着学生能够举一反三，理解并迁移至其他未知气体的制取学习中，对发展学生的化学学科能力具有奠基性作用。

教学难点为气体制取发生装置的设计、选择与优化策略，以及科学探究中“设计实验”环节的思维训练。难点成因在于：首先，装置设计涉及反应物状态、反应条件、可控性、安全性等多因素的综合考量，对学生分析、比较、概括和系统思维的要求较高，存在一定认知跨度。其次，学生习惯于接受既定方案，主动设计、评价与优化的经验不足，从“模仿操作”到“设计思维”的转变是能力发展的关键瓶颈。突破方向在于，通过搭建从简单到复杂、从单一到多样的装置“脚手架”，提供充分的对比分析素材，引导学生经历“为什么用这个？”、“还能怎么改进？”的深度思考过程。

四、教学准备清单

1.教师准备

1.1媒体与教具：交互式电子白板课件（含反应原理动画、多种气体发生装置动态图、课堂练习与评价工具）。

1.2实验器材（分组与演示）：

*分组（每4人一组）：铁架台（带铁夹）、锥形瓶、双孔橡胶塞（配套导管、长颈漏斗、分液漏斗）、试管、单孔橡胶塞（配套导管）、塑料软瓶（带吸管）、小药瓶、大理石、稀盐酸、稀硫酸、浓盐酸、碳酸钠粉末、澄清石灰水、集气瓶、玻璃片、毛玻璃片、火柴。

*演示：自普里斯特利发现二氧化碳气体的小故事引入的启普发生器原型或模型。

2.学生准备

2.1知识准备：复习氧气、氢气的实验室制法，预习课本关于二氧化碳制取的内容。

2.2物品准备：科学笔记本、学习任务单。

3.环境准备

3.1座位安排：学生按4人实验小组“U”形就座，便于讨论与实验操作。

3.2板书记划：预留中央主板书区用于呈现核心知识脉络（原理→装置→收集→检验），侧边副板书区用于记录学生生成性问题与精彩观点。

五、教学过程

第一、导入环节

1.情境创设与问题提出：（教师手持一瓶可乐，剧烈摇晃后迅速打开，可乐喷涌）同学们，我们先来看个小魔术。这喷涌而出的气泡主要是什么气体？对，是二氧化碳。二氧化碳在我们的生活、生产和生态中扮演着极其重要的角色，比如我们喝的汽水、灭火器里的药剂，还有你们可能听说的“碳中和”，都和它息息相关。实验室里，我们如何像“化学工程师”一样，高效、安全、可控地“制造”出这种气体呢？这就是今天我们要一起攻克的课题。

“大家回想一下，我们在制取氧气和氢气时，都遵循了怎样的思路？”（等待学生回答：先确定用什么药品反应，再选择发生和收集装置……）很好！这为我们提供了宝贵的思维地图。今天，我们就沿着“原理—装置—收集”这条线，来设计并动手制备二氧化碳。

2.明确学习路径：简单来说，这节课我们将分三步走：第一步，“用什么造？”——探究制取二氧化碳的最佳反应原理；第二步，“怎么造？”——设计并组装最合适的发生装置；第三步，“怎么收？”——选择方法收集并验证我们的“产品”。咱们的课堂口号是：“大胆设计，小心求证，做一个智慧的实验设计师！”

第二、新授环节

本环节围绕核心问题“如何设计并完成二氧化碳的实验室制取”展开，设置一系列递进式探究任务。

任务一：回顾旧知，锚定起点

教师活动：教师通过提问引导学生回顾已学气体制备的核心思路：“制取任何气体，我们首先要考虑什么？需要从哪些方面进行整体规划？”（原理、发生装置、收集方法、检验验满）。随后，在白板上展示氧气（高锰酸钾加热）和氢气（锌粒与稀硫酸）的制取原理与典型装置图，提问：“对比这两套装置，选择发生装置的决定性因素是什么？选择收集方法的关键又是什么？”引导学生明确：反应物状态和反应条件决定发生装置；气体密度、溶解性等性质决定收集方法。

学生活动：学生独立思考后，在小组内交流观点，并派代表分享。尝试用语言描述气体制备的一般性思维框架。

即时评价标准：1.能否准确说出氧气和氢气的制取原理。2.能否清晰表述“固固加热型”与“固液常温型”装置的区别。3.能否初步概括出选择发生装置和收集方法的主要依据。

形成知识、思维、方法清单：

★气体制备一般思路模型：“原理→发生装置→收集方法→检验/验满”。这是解决所有气体制备问题的“总钥匙”，需要在后续学习中不断强化和应用。

▲发生装置选择依据：核心看反应物的状态（固态、液态）和反应条件（是否需要加热、催化剂等）。例如，固固加热、固液常温等类型。

▲收集装置选择依据：核心看气体的物理性质（密度与空气比较、溶解性）和化学性质（是否与水或空气成分反应）。常用方法有排水法、向上/向下排空气法。

任务二：探究原理，寻找最佳“配方”

教师活动：提出问题：“哪些化学反应能生成二氧化碳？”学生可能列举木炭燃烧、碳酸分解等。教师肯定其正确性，但追问：“这些反应适合在实验室里作为制取二氧化碳的方法吗？为什么？”引导学生从“可行性、可控性、安全性、纯度、速率、成本”等多个角度评价。随后，提供四组药品：大理石与稀盐酸、大理石与稀硫酸、碳酸钠粉末与稀盐酸、大理石与浓盐酸。布置探究任务：“请分组讨论并预测，哪一组是实验室制取二氧化碳的最佳选择？说出你的理由。”在学生讨论时，巡视并提示他们从反应速率是否适中、气体是否纯净、操作是否安全方便等方面思考。

学生活动：学生以小组为单位，观察药品状态（特别关注碳酸钠是粉末），结合已有知识（浓盐酸的挥发性、硫酸钙微溶），进行预测与推理，形成小组初步结论。

即时评价标准：1.讨论时观点是否有化学事实依据（如浓盐酸易挥发混入HCl气体）。2.是否考虑到反应速率（粉末状反应过快不易控制）。3.能否预测到碳酸钙与硫酸反应可能存在的问题（生成微溶物覆盖表面）。

形成知识、思维、方法清单：

★实验室制取二氧化碳的原理：化学方程式：CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑。这是本课必须掌握的核心反应。

★药品选择：块状大理石（或石灰石）与稀盐酸。原因有三：1.反应速率适中，易于控制；2.成本较低，原料易得；3.产生的气体相对纯净。

★排除其他方案的理由：1.不用浓盐酸——防止挥发出的HCl气体使CO₂不纯。2.不用稀硫酸——生成的CaSO₄微溶于水，覆盖在大理石表面阻碍反应持续进行。3.不用碳酸钠粉末——反应速率过快，不易控制与收集。

▲科学探究中的评价维度：选择实验室制法需综合考虑反应速率、气体纯度、安全性、成本、操作便利性等多个因素，培养多角度系统分析的思维习惯。

任务三：设计发生装置，我是“装置工程师”

教师活动：这是突破难点的关键环节。首先，明确任务：“原理确定了，现在需要一套‘固液常温型’发生装置。大家想想，这套装置至少需要满足哪些基本功能？”（能装固体、能加液体、能导出气体）。接着，提供“原型装备包”：试管/锥形瓶、带导管的单孔塞、长颈漏斗、分液漏斗、注射器、塑料软瓶、带孔小药瓶等。挑战一：“请利用这些器材，设计出至少两种不同的‘固液常温型’发生装置，画出简图。”学生设计后，教师选取典型方案（如“试管+单孔塞”、“锥形瓶+长颈漏斗+双孔塞”）投影展示。挑战二：“大家来当评委，比较这两种装置的优缺点。长颈漏斗的下端管口为什么要伸入液面以下？”（防止气体从漏斗逸出）。挑战三（高阶挑战）：“如果想让反应随时发生随时停止，像水龙头一样可控，该如何改进你的设计？”引导学生思考如何使固液分离。此时，可展示自制的简易启普发生器或播放其工作原理动画，让学生领悟“智慧”装置的设计精妙之处。“看，这就是化学家们不断优化的成果！”

学生活动：小组合作，动手拼接器材，尝试设计多种装置并绘制草图。积极参与方案比较，分析各装置的优缺点（如简单装置不能随时添加酸液，带长颈漏斗的装置可以但无法控制反应开始/停止）。针对“可控性”问题进行深度思考和创意设计，并理解启普发生器的工作原理。

即时评价标准：1.设计的装置简图是否科学、规范（如导管长短、漏斗末端位置）。2.分析优缺点时，理由是否充分、准确。3.在思考“可控性”问题时，是否能提出有创意的想法或理解“固液接触与分离”是控制关键。

形成知识、思维、方法清单：

★基本发生装置：掌握“试管+单孔塞”和“锥形瓶+长颈漏斗+双孔塞”两种典型装置（后者的漏斗末端必须液封）。

★装置评价与优化思维：对实验装置的评价应围绕“功能实现、操作简便、可控性好、安全性高”等维度展开。多问几个“为什么”和“怎么样更好”。

▲可控发生装置原理：通过设计特殊的结构（如启普发生器原理），实现通过气压变化控制固液接触与分离，从而达到“随开随用、随关随停”的效果。这是对基础装置的创造性发展。

▲“结构决定功能”的化学思想：装置中每一个部件的形状、位置、连接方式都与其在实验中的功能密切相关，理解这一点是设计与改进装置的基础。

任务四：确定收集与验满方法，完成整体设计

教师活动：提问引导：“我们已经‘生产’出了CO₂气体，现在要‘包装出厂’。根据二氧化碳的密度和溶解性，应该用什么方法收集？”（向上排空气法）。追问：“为什么不用排水法？”（能溶于水并与水反应）。继续追问：“如何判断这瓶气体已经收集满了呢？”演示并讲解：将燃着的木条放在集气瓶口，若木条熄灭，则证明已满。最后，教师引导学生将前面各个环节串联起来，在黑板上形成完整的知识脉络图。

学生活动：根据二氧化碳的性质（密度比空气大、能溶于水），确定收集方法。学习验满操作及判断依据。跟随教师引导，在笔记本上整理从原理到验满的完整流程，形成系统化认知。

即时评价标准：1.能否准确说出采用向上排空气法的原因。2.能否规范描述验满的操作与现象。3.能否独立或在小组成员提示下，梳理出制取二氧化碳的完整步骤。

形成知识、思维、方法清单：

★收集方法：采用向上排空气法收集二氧化碳。原因：CO₂密度大于空气，且能溶于水。

★验满方法：将燃着的木条放在集气瓶口，若木条熄灭，则证明已收集满。注意：这与“检验”该气体是二氧化碳的方法（通入澄清石灰水变浑浊）不同，需区分。

▲思维完整性：一个完整的实验方案必须包括从原料到产品验证的所有环节。将零散的知识点串联成线、编织成网，是化学学习的重要能力。

任务五：动手实验，实践出真知

教师活动：在确认各组已完成理论设计后，下达实验指令：“现在，请各小组按照你们优化后的方案，选用合适的器材，动手制取并收集一瓶二氧化碳气体，并完成验满。操作中请注意安全，规范进行。”教师巡视全场，重点关注：1.装置气密性检查是否进行。2.长颈漏斗末端是否液封。3.添加盐酸的速度是否适中。4.验满操作是否规范。对操作规范的小组及时表扬，对存在问题的组别进行个别指导。

学生活动：小组分工协作，检查装置气密性，组装仪器，添加药品，开始制取。当观察到导管口有连续均匀气泡冒出时，开始收集气体。用燃着的木条在瓶口验满，盖好玻璃片，正放在实验台上。成功后，小组成员相互击掌庆祝。

即时评价标准：1.实验操作是否规范、安全（特别是添加酸液时）。2.小组内分工是否明确，协作是否有序。3.能否成功制得并验满一瓶二氧化碳气体。4.实验结束后，是否能主动整理仪器、处理废液。

形成知识、思维、方法清单：

★实验操作关键点：1.气密性检查是实验成功的前提。2.长颈漏斗末端必须液封。3.收集时机：待导管口有连续均匀气泡冒出时再收集（初期气体是空气）。4.验满操作必须放在集气瓶口。

▲实践对理论的验证与深化：设计方案需要在实践中检验和调整。动手操作不仅能巩固知识，更能发现理论设计中忽略的细节问题（如气密性、气泡速率），是科学探究不可或缺的环节。

★科学探究的完整体验：至此，学生经历了从原理探究、方案设计到动手实践、获得产品的完整科学探究过程，对“科学探究与实践”素养有了切身感受。

第三、当堂巩固训练

教师通过白板呈现分层练习，学生根据自身情况选择完成。

A层（基础应用）：1.写出实验室制取CO₂的化学方程式。2.请指出右图（一个简单的错误装置，如长颈漏斗未液封）装置中的一处错误并改正。（面向全体，巩固双基）

B层（综合迁移）：已知硫化氢(H₂S)气体密度比空气大，能溶于水，其水溶液呈酸性。实验室常用块状硫化亚铁(FeS)与稀硫酸在常温下反应制取。请问：应选用与制取____（填O₂或CO₂）相同的发生装置，收集方法可采用____。（大多数学生挑战，考察知识迁移）

C层（挑战创新）：请设计一个家庭小实验，利用厨房中的物品（如醋、鸡蛋壳、矿泉水瓶）模拟制取并证明产生了二氧化碳气体，简述你的方案。（学有余力者选做，链接生活，激发创造）

反馈机制：A、B层练习通过学生举手反馈、教师随机提问、同桌互评方式快速核对。C层方案邀请学生在课后提交或下节课简短分享，教师进行点评，着重肯定其创意与化学思维的运用。

第四、课堂小结

“同学们，经过一节课的‘工程师’体验，我们一起来盘点下今天的收获。哪位同学愿意用一句话说说，你今天最大的收获或最深的感受是什么？”（学生自由发言）随后，教师引导：“请大家尝试用流程图或思维导图，将‘如何制取一种气体’的思路梳理在你的笔记本上。”留出2分钟时间让学生自主建构。最后，教师进行升华总结：“今天我们不仅学会了制取二氧化碳，更重要的是掌握了一套科学研究的方法——从原理分析到方案设计，再到实践验证与优化。这套方法，可以用来探索更多未知。”

作业布置：1.必做（基础性）：整理课堂笔记，完成课后基础习题，绘制二氧化碳制取（从原理到验满）的完整装置图。2.选做（拓展性）：查阅资料，了解工业上如何大规模制取二氧化碳，并与实验室制法进行比较。3.挑战（探究性）：思考并设计：如何证明你们刚才收集到的气体确实是二氧化碳？（为下节课学习性质做铺垫）。

六、作业设计

1.基础性作业（必做）：

*书写并熟记实验室制取二氧化碳的化学方程式。

*完成教材配套练习中关于反应原理、装置选择、收集方法的基础填空题和选择题。

*绘制一套规范的二氧化碳制取（发生与收集）装置图，并标注主要仪器名称及注意事项。

2.拓展性作业（建议大多数学生完成）：

*情境应用题：消防演习中，需要模拟使用二氧化碳灭火器。请你根据所学，为班级设计一个简单的实验方案，用化学方法模拟产生二氧化碳并演示其灭火原理（不要求真实灭火）。写出所需的简易器材、药品和主要步骤。

*资料分析题：阅读一篇关于“碳捕捉与封存（CCS）”技术的科普短文（教师提供），写一篇200字左右的读后感，谈谈化学在解决环境问题中的作用。

3.探究性/创造性作业（学有余力的学生选做）：

*家庭探究项目：利用家中常见的材料（如白醋、小苏打、透明玻璃杯、蜡烛等），设计并进行实验，探究不同条件下（如醋的浓度、小苏打的量）产生二氧化碳速率的差异，用照片或视频记录过程，并尝试用所学知识解释现象。

*装置设计师：尝试利用废弃的塑料瓶、吸管、输液管等物品，制作一个能实现“随开随用、随关随停”功能的二氧化碳发生装置模型，并说明其工作原理。

七、本节知识清单、考点及拓展

1.★核心原理方程式：CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑。提示：必须注明反应条件（常温），气体符号↑不能遗漏。

2.★药品选择：块状大理石（或石灰石）与稀盐酸。考点：常以选择题形式考查不选用稀硫酸、浓盐酸、碳酸钠粉末的原因。

3.★发生装置类型：固液常温型。考点：与氧气（固固加热型）发生装置对比考查。

4.★基本发生装置（两种）：简易装置（试管+单孔塞）；可随时添加液体的装置（锥形瓶+长颈漏斗+双孔塞）。关键点：长颈漏斗末端必须液封（形成“液封”），防止气体逸出。

5.★收集方法：向上排空气法。依据：CO₂密度大于空气，且能溶于水。考点：与O₂（排水法、向上排空气）、H₂（排水法、向下排空气）的收集方法对比。

6.★验满方法：将燃着的木条放在集气瓶口，若木条熄灭，则已满。易错点：与“检验”CO₂气体（通入澄清石灰水）的操作混淆。

7.★检验方法：将气体通入澄清石灰水中，石灰水变浑浊。反应方程式：CO₂+Ca(OH)₂=CaCO₃↓+H₂O。

8.★操作要点-气密性检查：连接装置后，先将导管一端浸入水中，用手紧握容器外壁，若导管口有气泡冒出，松手后导管内形成一段稳定水柱，则气密性良好。

9.★操作要点-收集时机：导管口开始排出的气泡是装置内的空气，需待气泡连续均匀冒出时再开始收集，以确保气体纯度。

10.▲发生装置选择依据模型：反应物状态+反应条件→决定发生装置类型。此为中考高频核心思维考点。

11.▲收集装置选择依据模型：气体密度（与空气比）、溶解性、是否与水/空气反应→决定收集方法。

12.▲启普发生器原理：利用压强差控制固液接触与分离，实现反应的随时控制。理解其原理是装置设计与评价的高阶要求。

13.▲工业制法拓展：煅烧石灰石：CaCO₃=(高温)=CaO+CO₂↑。联系：与实验室制法对比，体会实验室制法的“可控、纯净、安全”特点与工业制法的“规模、成本、原料”导向差异。

14.▲二氧化碳的用途：灭火（不可燃不助燃、密度大）、制汽水（能溶于水）、人工降雨（干冰升华吸热）、气体肥料（光合作用）等。素养渗透：认识化学对社会生产和生活的价值。

15.◉易混淆点辨析：“二氧化碳能使燃着的木条熄灭”是它的化学性质（不助燃），可用于验满；而“二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊”是它的特性反应，用于检验。

八、教学反思

（一）教学目标达成度分析

本课预设的知识与技能目标达成度较高。从课堂提问、小组设计方案展示及最终动手实验的成功率（约90%的组成功制取并验满）来看，绝大多数学生掌握了核心反应原理、基本装置和操作方法。能力目标方面，学生在“设计发生装置”任务中展现出的多样性和在评价环节表现出的批判性思维，表明其“设计实验”与“分析评价”的能力得到了有效锻炼。情感目标在小组合作实验的兴奋状态和装置优化讨论中的专注神情中得以体现。科学思维目标的达成，在课堂小结时学生自主绘制的流程图中可见一斑，大部分学生能勾勒出系统化模型。元认知目标通过“反思收获”环节得以初步实现，但引导学生深度反思学习策略的引导还可加强。

（二）核心环节有效性评估

导入环节的“可乐喷泉”迅速抓住学生注意力，成功链接生活与化学，驱动性问题明确。任务二“探究原理”中，学生对于“为什么不使用其他药品”的讨论比预想的更深入，特别是对“稀硫酸反应会停止”的微观解释（生成微溶物覆盖）有小组主动提出，这说明提供对比药品实物的策略是有效的。任务三“设计装置”是本课高潮，也是难点突破的关键。实际教学中，学生经历了从模仿到创造的明显思维跃升。当提出“如何控制反应”时，部分学生思维受限于课本装置，但个别小组提出“用夹子夹住导管后再从长颈漏斗倒酸”等朴素想法，此时再展示启普发生器原理，起到了“雪中送炭”和“拔高思维”的双重效果。学生感叹“原来化学家是这么想的！”，实现了方法论的领悟。动手实验环节时间略显紧张，少数小组因气密性检查不仔细或初期操作慌乱延误了时间，提示我今后应在前期任务时间分配上更紧凑，或可课前培训小组长，提升协作效率。

（三）对不同层次学生的关照分析

通过分层任务（如原理探究中不同角度的思考要求）和分层练习（A、B、C三层），不同认知水平的学生均被调动并获得了相应发展。观察发现，基础较弱的学生在任务一（回顾旧知）和任务四（确定收集方法）中表现积极，获得了信心；中等生在装置设计与评价环节贡献了大量有价值的对比观点；学有余力的学生在“可控装置”创意设计和C层挑战题中展现出浓厚兴趣和创造力。小组合作机制有效促进了生生之间的帮扶与启发。然