二氧化碳和水的故事

- 1 - 二氧化碳和水的故事 二氧化碳是一种常见的气体，动植物通过呼吸将氧气转化成二氧化碳和能量， 然后通过植物的光合作用将二氧化碳再转化成氧气。同时，二氧化碳可以制作碳酸 饮料，作气体肥料，作化工原料，干冰（固态二氧化碳）还可用于人工降雨等等。 可见，二氧化碳在我们的生活和生产中，无处不在。 如果二氧化碳与水相遇，会发生什么有趣的故事呢？ 在给学生们讲授二氧化碳与水相关的性质时，我们通常做如下探究：向装满二 氧化碳的软塑料瓶中装入适量的水，关紧瓶盖，振荡。学生们观察到软塑料瓶变瘪 了！大家讨论分析，认为原因可能有两个：二氧化碳溶于水，二氧化碳与水反应。 实验示意图如下： - 2 - 二氧化碳是否能与水反应？我们表演了如下魔术：会变色的星星。 将一串用紫色石蕊试纸折成的小星星（共 4 颗），慢慢放入水中，但只让下方 的 2 颗星星与水接触。学生们观察到，与水接触的 2 颗星星湿润了，但没有变红。 紧接着，把这串星星放入另一个装满二氧化碳的软塑料瓶中，神奇的事情发生了， 下面的 2 颗星星变红了！实验示意图如下： 学生们积极讨论，运用控制变量法的对比思维，分析出：一开始，湿润的石蕊 星星没有变红，说明水不能使石蕊变红。放入二氧化碳中，上面的 2 颗星星没有变 红，说明二氧化碳不能使石蕊变红。同时，下面的 2 颗星星变红了，说明二氧化碳 和水共同作用，使石蕊变红。综上，学生们得出结论：二氧化碳能与水反应生成新物 质，使石蕊变红。 每当课堂进行到这里，我们化学组的老师们心中总有疑惑，那就是其实这里并 不能直接说明二氧化碳和水反应生成了酸，只能说明二氧化碳与水的共同作用使石 蕊变红。因此，课本上还增加了一个实验，证明了醋酸能够使石蕊变红，从而间接 证明了二氧化碳与水发生了化学反应，生成了碳酸。 具有严谨逻辑思维的学生提出疑问了：既然二氧化碳会与水反应而减少，那么 软塑料瓶变瘪的原因到底是一个还是两个呢？二氧化碳到底能不能溶于水呢？ 是呀！二氧化碳是否溶于水？又如何证明？二氧化碳和水发生反应有没有更直 接的验证方法？传统实验无法解决这些问题。 - 3 - 于是，我们就思考是否能够依靠数字化手持技术来解决问题。如果有传感器可 以直接探测到水中溶解的二氧化碳，以及生成的碳酸，那问题不就直观、轻松地解 决了吗？ 功夫不负有心人，经过四处打听，我们终于找到了溶解二氧化碳传感器，用于 测量水中是否有二氧化碳。测量是否有酸生成，我们则选择了 pH 传感器。在选择药 品和装置方面，为了避免盐酸的挥发性影响实验结果，我们选用稀硫酸和碳酸钠粉末制 二氧化碳。同时，发生装置选择锥形瓶和分液漏斗，前者可以增大药品的容量， 后者便 于控制反应的速率。实验装置示意图如下： 将生成的二氧化碳直接通入蒸馏水中，电脑呈现结果如下： 水中二氧化碳浓度随时间变化曲线 溶液 pH 随时间变化曲线 学生们通过看图，不难得出结论：水中二氧化碳浓度随时间增加，二氧化碳能 - 4 - 溶于水。溶液 pH 小于 7 且不断下降，二氧化碳与水反应生成了酸。学生们惊叹道： “科学技术真是厉害呀，直接可以快速出结果！” 是呀，科技带来进步！数字化实验帮助我们直观地解决了传统实验无法解决的 问题，这就是数字化手持技术的最大意义！ 其实实验的过程并不是一帆风顺的，通过不断实践，我们发现了很多值得注意 的地方。首先，所有的传感器由 1 个探头和 1 个数据感应装置配套使用，不可同类 之间相互混淆使用，否则数据会不准确。然后，溶解二氧化碳传感器在使用前需要放 置好电极保护膜并加入适量电极填充液，还需要运行软件预通电半小时至 2 小时。再 者，pH 传感器每次使用之前都需要用 pH=4.003 和 pH=6.864 和 pH=9.182 的标准液校 准。最后，溶解二氧化碳传感器和 pH 传感器不能在同一溶液中同时使用，会互相干 扰。真是“小”实验有“大”智慧呀！