實(shí)驗(yàn)室二氧化碳制備實(shí)驗(yàn)方案一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握實(shí)驗(yàn)室制備二氧化碳的原理和方法；2.學(xué)會(huì)二氧化碳?xì)怏w的收集、檢驗(yàn)及驗(yàn)滿操作；3.理解固液不加熱型反應(yīng)裝置的選擇依據(jù)；4.培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)操作習(xí)慣和環(huán)保意識(shí)。二、實(shí)驗(yàn)原理1.反應(yīng)原理實(shí)驗(yàn)室采用塊狀大理石（或石灰石，主要成分為CaCO?）與稀鹽酸反應(yīng)制備二氧化碳，反應(yīng)屬于復(fù)分解反應(yīng)，化學(xué)方程式為：$$\text{CaCO}_3+2\text{HCl}=\text{CaCl}_2+\text{CO}_2↑+\text{H}_2\text{O}$$選擇依據(jù)：大理石為塊狀固體，與稀鹽酸反應(yīng)速率適中，易于控制；生成的CO?氣體密度比空氣大（約1.977g/L，空氣約1.293g/L），且不與空氣中的O?、N?等成分反應(yīng)，故可用向上排空氣法收集；CO?能與澄清石灰水（Ca(OH)?）反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，可用于檢驗(yàn)：$$\text{Ca(OH)}_2+\text{CO}_2=\text{CaCO}_3↓+\text{H}_2\text{O}$$三、實(shí)驗(yàn)用品1.試劑塊狀大理石（或石灰石）：純度≥90%（避免使用粉末狀，防止反應(yīng)過快）；稀鹽酸：1:3體積比（濃鹽酸與水的體積比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約10%-15%，濃度過高易揮發(fā)HCl雜質(zhì)）；澄清石灰水：新配制（避免因吸收空氣中CO?而變質(zhì)）；飽和碳酸氫鈉溶液（可選，用于排水法測(cè)體積時(shí)減少CO?溶解）。2.儀器儀器名稱規(guī)格/型號(hào)用途錐形瓶250mL反應(yīng)容器長(zhǎng)頸漏斗（或分液漏斗）60mL添加稀鹽酸，控制反應(yīng)速率雙孔橡皮塞與錐形瓶匹配密封反應(yīng)容器玻璃導(dǎo)管φ6mm×300mm導(dǎo)出CO?氣體集氣瓶125mL（干燥）收集CO?氣體玻璃片直徑與集氣瓶匹配密封集氣瓶鑷子—取塊狀大理石燒杯50mL裝澄清石灰水（檢驗(yàn)用）止水夾—檢查裝置氣密性四、實(shí)驗(yàn)步驟1.裝置組裝與氣密性檢查按“錐形瓶→雙孔橡皮塞（插入長(zhǎng)頸漏斗和玻璃導(dǎo)管）→乳膠管→玻璃導(dǎo)管”順序組裝裝置；氣密性檢查：用止水夾夾住導(dǎo)管末端的乳膠管，向長(zhǎng)頸漏斗中注入水，使漏斗內(nèi)液面高于錐形瓶?jī)?nèi)液面約2cm，靜置5分鐘。若液面不下降，說明裝置氣密性良好；若下降，需重新連接或更換橡皮塞。2.藥品添加用鑷子取3-5塊塊狀大理石（體積約為錐形瓶容積的1/3），緩慢放入錐形瓶中（避免打破瓶底）；將長(zhǎng)頸漏斗插入雙孔橡皮塞，塞緊錐形瓶；向長(zhǎng)頸漏斗中注入稀鹽酸，直到鹽酸浸沒長(zhǎng)頸漏斗下端（形成液封，防止CO?從漏斗逸出）。3.氣體收集將導(dǎo)管末端伸入集氣瓶底部（排盡集氣瓶?jī)?nèi)空氣，保證氣體純凈）；用玻璃片半蓋住集氣瓶口（便于空氣排出），收集CO?氣體（約1-2分鐘，直到集氣瓶口有連續(xù)氣泡冒出）。4.驗(yàn)滿操作用燃著的木條放在集氣瓶口（不可伸入瓶?jī)?nèi)），若木條熄滅，說明CO?已收集滿；立即用玻璃片蓋緊集氣瓶口，正放在桌面上（CO?密度比空氣大，防止泄漏）。5.氣體檢驗(yàn)取少量澄清石灰水倒入50mL燒杯中；將導(dǎo)管末端伸入石灰水中（若已收集滿，可打開集氣瓶塞，用導(dǎo)管導(dǎo)出氣體），若石灰水變渾濁，說明收集的氣體是CO?。6.實(shí)驗(yàn)結(jié)束處理先將導(dǎo)管從澄清石灰水中取出（防止倒吸，避免石灰水進(jìn)入錐形瓶）；停止向長(zhǎng)頸漏斗中添加稀鹽酸，或用止水夾夾住乳膠管，終止反應(yīng)；剩余的鹽酸倒入酸性廢液缸，大理石倒入固體廢棄物容器，不可隨意丟棄。五、注意事項(xiàng)1.藥品選擇：不可用粉末狀CaCO?（如碳酸鈣粉末）代替塊狀大理石，因粉末反應(yīng)速率過快，不易控制；不可用濃硫酸代替稀鹽酸，因濃硫酸與CaCO?反應(yīng)生成微溶性的CaSO?，會(huì)覆蓋在大理石表面，阻止反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行；不可用濃鹽酸代替稀鹽酸，因濃鹽酸揮發(fā)性強(qiáng)，會(huì)使CO?中混入大量HCl雜質(zhì)，影響氣體純度。2.裝置操作：長(zhǎng)頸漏斗的下端必須浸沒在稀鹽酸液面以下，形成液封；若使用分液漏斗，可通過調(diào)節(jié)活塞控制鹽酸滴加速度，更精準(zhǔn)地控制反應(yīng)速率。收集CO?時(shí)，導(dǎo)管必須伸入集氣瓶底部，否則集氣瓶?jī)?nèi)殘留的空氣會(huì)導(dǎo)致氣體不純。3.驗(yàn)滿與檢驗(yàn)：驗(yàn)滿時(shí)，燃著的木條必須放在集氣瓶口，若伸入瓶?jī)?nèi)，會(huì)消耗瓶?jī)?nèi)CO?，導(dǎo)致驗(yàn)滿不準(zhǔn)確；澄清石灰水需新配制，若放置時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)吸收空氣中的CO?生成CaCO?沉淀，導(dǎo)致檢驗(yàn)時(shí)無明顯現(xiàn)象。4.環(huán)保與安全：CO?是溫室氣體，實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)避免過量排放，剩余氣體可通過NaOH溶液吸收（反應(yīng)：2NaOH+CO?=Na?CO?+H?O）；鹽酸具有腐蝕性，操作時(shí)需戴橡膠手套，避免接觸皮膚和眼睛；若不慎接觸，立即用大量清水沖洗。六、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析1.理論產(chǎn)量計(jì)算根據(jù)大理石中CaCO?的質(zhì)量，計(jì)算生成CO?的理論質(zhì)量：$$m_{\text{理論}}=\frac{m_{\text{大理石}}\timesw_{\text{CaCO}_3}\timesM_{\text{CO}_2}}{M_{\text{CaCO}_3}}$$其中：$m_{\text{大理石}}$：大理石的質(zhì)量（g）；$w_{\text{CaCO}_3}$：大理石中CaCO?的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；$M_{\text{CO}_2}$：CO?的摩爾質(zhì)量（44g/mol）；$M_{\text{CaCO}_3}$：CaCO?的摩爾質(zhì)量（100g/mol）。2.實(shí)際產(chǎn)量計(jì)算采用飽和碳酸氫鈉溶液排水法收集CO?（減少溶解損失），測(cè)量氣體體積$V$（L），根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算實(shí)際質(zhì)量：$$n=\frac{pV}{RT}$$$$m_{\text{實(shí)際}}=n\timesM_{\text{CO}_2}$$其中：$p$：實(shí)驗(yàn)時(shí)的大氣壓（Pa，可通過氣壓計(jì)測(cè)量）；$T$：實(shí)驗(yàn)時(shí)的溫度（K，即℃+273.15）；$R$：氣體常數(shù)（8.314J/(mol·K)）。3.產(chǎn)率計(jì)算與分析$$\text{產(chǎn)率}=\frac{m_{\text{實(shí)際}}}{m_{\text{理論}}}\times100\%$$產(chǎn)率偏低原因：裝置漏氣、鹽酸濃度過低（反應(yīng)不完全）、收集時(shí)間不足（未收集全部氣體）；產(chǎn)率偏高原因：鹽酸揮發(fā)的HCl混入CO?（導(dǎo)致體積測(cè)量偏大）、飽和碳酸氫鈉溶液未飽和（吸收部分CO?）。七、常見問題及解決方法問題可能原因解決方法反應(yīng)速率太慢鹽酸濃度太低；大理石中CaCO?含量低更換1:3體積比稀鹽酸；換用高純度塊狀大理石石灰水不變渾濁鹽酸濃度過高（HCl雜質(zhì)與石灰水反應(yīng)）；石灰水變質(zhì)換用稀鹽酸；使用新配制的石灰水驗(yàn)滿時(shí)木條不熄滅收集時(shí)間不足；導(dǎo)管未伸到瓶底延長(zhǎng)收集時(shí)間；調(diào)整導(dǎo)管位置至瓶底長(zhǎng)頸漏斗液面上升反應(yīng)速率過快；導(dǎo)管堵塞換用塊狀大理石；用玻璃棒疏通導(dǎo)管八、實(shí)驗(yàn)安全1.鹽酸具有強(qiáng)腐蝕性，操作時(shí)必須戴橡膠手套，避免接觸皮膚和眼睛；2.塊狀大理石放入錐形瓶時(shí)需緩慢，防止打破瓶底；3.實(shí)驗(yàn)應(yīng)在通風(fēng)良好的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，避免大量吸入C