九年级化学（科粤版）上精品学案：5.3二氧化碳的性质和制法

5.3　二氧化碳的性质和制法
1．知道二氧化碳的主要性质和用途。
2．初步学习在实验室制取二氧化碳，了解实验室制备气体的思路和方法。
3．认识自然界中的碳循环；了解并关注温室效应。
1．二氧化碳有何性质
(1)物理性质
活动与探究：
实验
现象
结论
①取一瓶二氧化碳气体，观察其颜色、气味、状态
无色无味气体
无色、无味的气体
②如图所示，在铁架台上系一根细木棍，在木棍的两端各挂一个小纸袋，使其保持平衡，向其中一个小纸袋中倒入二氧化碳。观察现象
倒入二氧化碳的一端向下倾斜
密度比空气大
③如图所示，向一个收集满二氧化碳气体的质地较软的塑料瓶中加入约1/3体积的水，立即旋紧瓶盖，振荡。观察现象
塑料瓶扁了
能溶于水
④如图所示，点燃“阶梯形”铁皮架上的两支小蜡烛，将铁皮架放入烧杯中；从烧杯的一侧向烧杯中倾倒二氧化碳气体。观察现象
蜡烛由下到上依次熄灭
①密度比空气大；②不能燃烧也不支持燃烧
二氧化碳是无色、无味的气体，密度比空气大，能溶于水。在一定的条件下，能发生三态变化。
(2)化学性质
活动与探究：
知识链接：紫色石蕊试液遇到酸会变成红色。
实验
现象
结论
1
①用一支试管取少量水，滴加几滴紫色石蕊试液，振荡，观察现象
溶液变成紫色
—
②向上述溶液中通入二氧化碳，观察溶液的颜色变化
溶液变成红色
二氧化碳与水反应生成碳酸CO2＋H2O===
H2CO3
③再把溶液放在酒精灯火焰上加热，又出现什么现象
溶液又变成紫色
碳酸受热分解H2CO3===CO2↑＋H2O
2
用一支试管取少量澄清的石灰水，再通入二氧化碳气体，观察现象
澄清的石灰水变浑浊
二氧化碳与氢氧化钙反应生成碳酸钙CO2＋Ca(OH)2===
CaCO3↓＋H2O
二氧化碳具有的化学性质：
①不能燃烧，也不支持燃烧。
②能与水反应生成碳酸，CO2＋H2O===H2CO3。
③与氢氧化钙反应生成碳酸钙，CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O。该反应可用于检验二氧化碳。
④能与单质碳反应生成一氧化碳，C＋CO22CO。
【例1】某学习小组为了探究CO2性质，设计如下图所示的实验：
取两支试管，充满CO2，将一支试管倒插入水中，另一支试管倒插入Ca(OH)2溶液中。一段时间后出现了如图所示现象。请你推测并叙述二氧化碳有哪些性质？写出有关反应的化学方程式。
解析：液体在试管内上升且高度不同，说明CO2与水、Ca(OH)2反应使容器内气压变小，水中试管内液面较低，可能与H2CO3的稳定性有关。
答案：二氧化碳能溶于水且发生反应，而生成的碳酸易分解，CO2＋H2O===H2CO3，H2CO3===CO2↑＋H2O；二氧化碳也能与Ca(OH)2反应，CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O。
体积一定的容器内盛装的二氧化碳发生溶解、反应或被吸附后，该容器内气体压强变小。解这类题的关键是熟练掌握CO2的性质，把化学原理、气压知识与变化现象结合起来分析现象产生的原因。
2．实验室怎样制取二氧化碳
(1)药品及反应原理
生物体的呼吸作用可产生CO2；
碳在氧气中燃烧生成CO2；
蜡烛燃烧也可以生成CO2；
煤气或天然气燃烧也可生成CO2；
……
实验室里用什么药品来制取CO2呢？
从原料的来源、价格，操作是否便利，收集到气体的纯度等方面综合考虑：实验室常用稀盐酸跟大理石(或石灰石)在常温下反应来制取二氧化碳。
CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O
(2)实验装置
发生装置
实验室里过氧化氢溶液和二氧化锰制取氧气的发生装置可以用来制取二氧化碳吗？
都是液体与固体在常温下反应来制取气体，实验室里过氧化氢溶液和二氧化锰制取氧气的发生装置可以用来制取二氧化碳。
实验室里制取二氧化碳的简易装置(如下图所示)。
(3)收集方法和验满方法
①收集方法：由于二氧化碳的密度比空气大，能溶于水。可用向上排空气法收集二氧化碳(如左下图所示)。
　　　　　　
②收集时验满方法：二氧化碳是无色无味的气体，无法直接观察到集气瓶内是否已经收集满气体。利用二氧化碳不能支持燃烧，能灭火的性质来检验。检验时将燃着的木条放在集气瓶口(如右上图所示)，木条熄灭，证明已经收集满，否则就没有收集满。
【例2】下图是某同学设计的实验室制取二氧化碳的装置，根据此装置回答。
(1)长颈漏斗的下端管口没有浸没在液面下，造成的后果是______________________；再找出图中另外两个错误________________、________________。
(2)装置改正后，检验二氧化碳的方法是________________________。写出实验室制取二氧化碳反应的化学方程式_____________________________________________________。
解析：(1)实验室制取二氧化碳时，为防止气体从长颈漏斗逸出，长颈漏斗下端管口要浸没在液面下；为便于气体导出，导气管要刚露出橡皮塞；由于二氧化碳的密度比空气大，能溶于水，所以应该用向上排空气法收集二氧化碳，不能用排水法收集。
(2)检验二氧化碳气体用其特性：能使澄清的石灰水变浑浊。将产生的气体通入澄清石灰水中，若石灰水变浑浊，说明该气体是二氧化碳。实验室制取二氧化碳的反应原理是CaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑。
答案：(1)产生的气体会从长颈漏斗逸出　导气管插入液面下　用排水法收集
(2)将产生的气体通入澄清石灰水中，若石灰水变浑浊，说明该气体是二氧化碳
CaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑
3．二氧化碳对生活和环境的影响
(1)二氧化碳的用途
二氧化碳在空气成分中含量虽然很小，但是在生活和生产中有着广泛的用途(如下图所示)。
二氧化碳的用途
(2)二氧化碳对人体健康的影响
二氧化碳虽然没有毒性，但二氧化碳不能供给呼吸。当环境中二氧化碳超过正常含量时，对人体健康产生一定的影响。
空气中二氧化碳的体积分数/%
对人体的影响
1
感到气闷、头晕、心悸
4～5
感到气闷、头痛、眩晕
10
使人神志不清、呼吸停止，以致死亡
(3)温室效应
“温室效应”(如下图所示)通常是指空气中的二氧化碳等气体让阳光可以透过，又能吸收地表的红外线辐射，阻止地表热量向外散发，起到类似暖房的玻璃罩或塑料大棚的作用，提高了地表的温度。能产生温室效应的气体除二氧化碳外，还有甲烷、一氧化二氮、氟氯烃化合物、臭氧等。
温室效应
尽管对温室效应及其长期影响还需进一步研究。但是保护人类赖以生存的环境，防止温室效应进一步增强，是整个人类社会的责任。都应减少使用化石燃料，更多的利用太阳能、风能、地热能等清洁能源，大力植树造林等。
【例3】二氧化碳对生活和环境有着重要影响。下列对二氧化碳利弊的描述中不正确的是(　　)。
A．二氧化碳可以用来作灭火剂
B．利用固态二氧化碳可以进行人工降雨
C．温室里施用二氧化碳对植物生长不利
D．大气中二氧化碳过多会造成温室效应
解析：
A
√
利用二氧化碳不能燃烧、不能支持燃烧、密度比空气大的性质可用来灭火。
B
√
固体二氧化碳称为“干冰”，干冰用来作制冷剂，进行人工降雨和冷藏食品。
C
×
植物的光合作用需要吸收二氧化碳，可作温室气体肥料。
D
√
大气中二氧化碳含量不断上升，使地面吸收的太阳光的热量不易散失，从而使全球变暖，造成温室效应。
答案：C
4．自然界中的碳循环
碳是构成生物原生质的基本元素，虽然它在自然界中的蕴藏量极为丰富，但绿色植物能够直接利用的仅仅限于空气中的二氧化碳。自然界碳循环的基本过程是：大气中的二氧化碳被陆地和海洋中的植物吸收，然后通过生物或地质过程以及人类活动，又以二氧化碳的形式返回大气中(如下图所示)。
大气中二氧化碳的产生与消耗
【例4】下列哪种情况不会释放碳进入碳循环中(　　)。
A．燃烧　　　　　B．呼吸作用
C．光合作用
D．海洋中沉积物的风化
解析：释放碳进入碳循环实质就是指能产生二氧化碳的过程。燃烧、呼吸作用和海洋中沉积物的风化都会产生二氧化碳，而光合作用吸收二氧化碳，因此不会释放碳进入碳循环的就是光合作用。
答案：C
5．实验室制取二氧化碳
(1)药品的选择
①实验室制取二氧化碳所用药品和反应原理：
药品：石灰石或大理石和稀盐酸。
原理：CaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑。
②实验室如何选择制取气体的药品及原理：
在生活和学习中我们发现有许多途径都能生成二氧化碳气体。这些方法并不都适合在实验室里制取二氧化碳。实验室选择制取二氧化碳气体的药品及原理应考虑：
反应条件——节能，易实现
反应速率——适中
药品成本——廉价易得
生成物——纯度高，污染少，便于收集
实验室制取气体应考虑：反应条件、反应速率、药品成本、产生的气体是否便于收集等因素。
(2)发生装置
化学教材中的制取气体装置大多都是简易装置，在实验的操控性、产生气体连续性、气体的量等方面存在不尽完善之处，对实验装置进行改进以弥补不足。如下图所示是把实验室制取二氧化碳简易装置根据需要进行改进示意图。
制气装置改进示意图
改进实验装置是为了使装置装配更合理、操作更简便等，解题时应综合考虑仪器的特点和改进的目的。
【例5—1】实验室制取二氧化碳所用药品及反应现象：
反应药品
反应现象
石灰石＋稀硫酸
开始有气泡，后慢慢停止
碳酸钠＋稀硫酸
剧烈冒出气泡
碳酸钙粉末＋稀硫酸
产生大量气泡，速率很快
石灰石＋稀盐酸
产生大量气泡，速率较慢
碳酸钠＋稀盐酸
剧烈冒出气泡
碳酸钙粉末＋稀盐酸
产生大量气泡，速率很快
石灰石＋浓盐酸
产生大量气泡，有刺激性气味
注：1．石灰石的主要成分是CaCO3；2．浓盐酸具有挥发性，会挥发出HCl气体。
比较各组的反应现象，你认为实验室制取二氧化碳的最佳试剂组为________________，理由是________________。
解析：石灰石与稀硫酸反应一会儿后终止，不能连续产生气体；碳酸钠、碳酸钙粉末与稀硫酸、稀盐酸反应速率太快，不便于收集气体；石灰石与浓盐酸反应生成的气体中混有HCl气体；石灰石与稀盐酸反应速率适中，便于收集。
答案：石灰石和稀盐酸　反应速率适中，便于收集
【例5—2】化学是一门以实验为基础的科学。
(1)根据上图回答：在连接c和d时，使d较易插入c中的措施是___________________；
(2)采用图A所示操作可能造成的后果之一是____________________；
(3)图B中的气体发生装置虽然简单，操作方便，但无法控制反应速率。请从图中选取________(选填序号)与a组装成新的气体发生装置，以达到控制反应速率的目的。
解析：(1)橡皮管与导管连接时用水湿润后容易插入；(2)图A所示操作容易压破容器，甚至刺破手；(3)控制反应速率，需要控制加入液体药品的流量，图中只有装置E的注射器能达到此目的。
答案：(1)将插入橡皮管的导管一端用水湿润
(2)压破试管(或刺破手)
(3)E
6．气体制备装置的选择、净化和收集
(1)气体制备装置的选择
实验装置的选取，主要从反应物的状态、反应条件考虑。气体的收集方法，由生成的气体的物理性质决定。
①反应物为“固＋固”需加热，选择KClO3和MnO2共热、KMnO4加热制取O2的发生装置，如图1。
②反应物为“固＋液”不需加热，选择双氧水和二氧化锰反应制氧气或稀盐酸和大理石制CO2的发生装置，如图2。
③反应物为“气＋固”需加热，暂不研究。
(2)气体的净化(干燥)装置
①干燥装置
液态干燥剂
固态干燥剂
常见干燥剂
浓硫酸
无水氯化钙
碱石灰
装置
可干燥气体
H2、O2、CO2
H2、O2、CO2
H2、O2(不可干燥CO2)
注意事项
a进b出(长进短出)
a进b出(大进小出)
左进右出
②净化装置
A为加热固态试剂以除去气体中杂质的装置，如用灼热的铜丝除氧气。B、C一般盛液体药品，用于洗液，如用浓硫酸除水蒸气，氢氧化钠溶液除CO2气体，气体由a口进b口出。D一般盛固体药品，如用碱石灰吸收水或二氧化碳。
(3)气体的收集方法
①气体不易或难溶于水，采用排水法收集。
②气体的密度比空气大，采用向上排空气法收集；密度比空气小，采用向下排空气法收集。
③有毒气体的收集，若气体不溶于水，采用类似洗气瓶的装置排水收集；若气体易溶于水，同样采用类似洗气瓶的装置排空气收集。密度比空气大的气体导入集气瓶时，“长进短出”；反之，“短进长出”。
【例6—1】下图是初中化学常见的实验装置，请结合所学化学知识，回答有关问题：
(1)气体的制取装置：①写出带有标号仪器的名称：a________、b________。
②用KClO3和MnO2制取O2应选用的发生装置是________(填序号，下同)；实验室收集CO2应选用的装置是________。
(2)气体的制取原理：①实验室用过氧化氢溶液和二氧化锰混合制取氧气，其中二氧化锰起________作用，请写出反应的化学方程式：_____________________________________，
②实验室制取二氧化碳的化学方程式为______________________________________。
(3)气体的净化：实验制取的O2中含有水蒸气，若使用F装置对氧气进行干燥，则装置内放入的液体是________，气体应从________端(填字母“g”或“h”)通入。
解析：(1)①根据实验室常见仪器可知带有标号仪器的名称：a铁架台、b集气瓶；②根据用KClO3和MnO2制取O2的发生装置为固体加热型，因此发生装置选A。根据CO2能溶于水，其密度大于空气的密度，因此可以用向上排空气法收集，故选D。
(2)①实验室用过氧化氢溶液和二氧化锰混合制取氧气，其中二氧化锰起催化作用，反应的化学方程式为：2H2O22H2O＋O2↑；②实验室常用碳酸钙和盐酸制取二氧化碳，反应的化学方程式为：CaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑。
(3)浓硫酸可以干燥O2、CO2等气体，注意气体干燥时要长进短出，即用F装置对氧气进行干燥时，气体应从h端通入。
答案：(1)①铁架台　集气瓶　②A　D　(2)①催化　2H2O22H2O＋O2↑　②CaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑　(3)浓硫酸(或浓H2SO4)　h
【例6—2】下图是实验室制取气体的一些装置，据图回答有关问题。
(1)仪器①的名称是________，②的名称是________。
(2)若用A来制取氧气，则注射器中盛________，反应的化学方程式为__________________；用氯酸钾和二氧化锰制取氧气，应选择的气体发生装置是________(填编号)，收集氧气应选用装置________(填编号)；实验室制取CO2的化学方程式是________________________________________________________________________，
收集CO2应选用装置________(填编号)。
(3)通过多种反应可以得到NH3(极易溶于水，密度比空气小)，例如：
①2NH4Cl(固)＋Ca(OH)2(固)CaCl2＋2NH3↑＋2H2O
②NH4HCO3(固)NH3↑＋CO2↑＋H2O
你将选择反应________(只写一个，填序号)作为实验室制取NH3的反应原理，你选择的理由是________________________________________________________________________。
解析：(1)熟悉常见仪器，了解名称。图中①试管，②酒精灯。
(2)若用A来制取氧气，要用过氧化氢溶液与固体二氧化锰反应，所以注射器中盛放过氧化氢溶液，化学方程式为2H2O22H2O＋O2↑；用氯酸钾和二氧化锰制取氧气，是需要加热的反应，所以要用C作发生装置；根据氧气的密度大于空气的密度，又不易溶于水，可用向上排空气法或排水法收集气体；实验室常用石灰石和稀盐酸反应制取二氧化碳，反应的化学方程式为CaCO3＋2HCl===CaCl2＋H2O＋CO2↑；根据二氧化碳密度大于空气的密度，又易溶于水，可知收集时要用向上排空气法收集。
(3)根据生成气体容易收集的原则，①反应中只有一种气体生成，容易收集；而②反应中有两种气体生成，所以收集时不易分离，所以要选①。
答案：(1)试管　酒精灯　(2)过氧化氢溶液　2H2O22H2O＋O2↑　C　D或F　CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O　D　(3)①　反应只产生一种气体