化学课题2 二氧化碳制取的研究导学案及答案

二氧化碳制取的研究（提高）

【学习目标】

1.掌握实验室制取二氧化碳的原理、装置和操作要点。
2.了解实验室中制取气体的思路和方法。

【要点梳理】

要点一、二氧化碳的实验室制法

1.药品：大理石（或石灰石）、稀盐酸。
2.反应原理：CaCO3+2HCl=CaCl2+ H2O+CO2↑
3.发生装置和收集装置：

（1）发生装置：“固——液不加热型”。气体的发生装置由反应物的状态和反应条件决定。制取二氧化碳常用的发生装置如下：

（2）装置连接时要注意以下两点：
　①长颈漏斗的下端管口必须插入到液面以下，否则生成的气体会从长颈漏斗口跑掉；
　②导气管伸入容器内无需太长，更不能插入到液面以下。若伸入到液面下，气体就无法从导管口排出。
（3）收集装置：气体的收集方法由气体的密度和气体的溶解性决定。二氧

化碳能溶于水，密度比空气的大，通常采用向上排空气法收集（如右图所

示）。收集时要注意将导管插到瓶底。　 　

4.验满：将燃着的木条置于集气瓶口，如木条熄灭，则二氧化碳收集满了。
 

5.检验：将产生的气体通入澄清的石灰水中，若观察到石灰水变浑浊，说明

有CO2生成。

【要点诠释】

药品选用应注意的问题：
（1）不能用浓盐酸。浓盐酸挥发出的氯化氢气体混入二氧化碳中，导致所收集的二氧化碳不纯。
（2）不能用硫酸。因为硫酸跟碳酸钙反应（H2SO4+CaCO3=CaSO4+H2O+CO2↑） 生成的硫酸钙微溶于水，它覆盖在石灰石的表面，阻碍了石灰石与硫酸进一步接触，使反应难以继续进行。
（3）不可用碳酸钠。因为碳酸钠是固体粉末且易溶于水，它与盐酸反应（Na2CO3+2HCl　 =2NaCl+H2O+CO2↑）速率太快，不便于控制，且碳酸钠比石灰石价格高，不经济。

要点二、实验室制取二氧化碳的研究与实践
1.化学反应原理的确定：可以生成二氧化碳的化学反应有很多，例如：
（1）碳在氧气（或空气）中燃烧：C+O2CO2
(2)碳在高温下还原金属氧化物：2CuO+C2Cu+CO2↑　 2Fe2O3+3C4Fe+3CO2↑
(3)石灰石高温分解： CaCO3 　CaO+CO2↑
(4)大理石（或石灰石）与稀盐酸在常温下反应：CaCO3+2HCl=CaCl2+ H2O+CO2↑
(5)蜡烛、木柴、酒精、汽油等含碳物质的燃烧都可产生二氧化碳气体。

有二氧化碳生成的化学反应不一定都适用于实验室制取二氧化碳。首先要考虑可操作性，其次再考虑哪个更方便易行、原料是否易得、是否利于收集等。（1）和（5）虽然都能生成二氧化碳，但由于燃烧需要在氧气（由空气）中进行，放出大量的热，对仪器、装置的要求高而且复杂，燃烧后的高温气体收集也很困难，所以在实验室里可操作性差；（2）和（3）需在高温下进行，操作较复杂且消耗能源。（4）方案操作简便，故实验室通常选用大理石（或石灰石）与稀盐酸反应来制取二氧化碳。
2.实验室制取气体装置的确定：制取气体的装置包括发生装置和收集装置两部分，其选择依据如下：
（1）气体发生装置的选择：由反应物的状态和反应条件来确定。①若反应物只有固体，反应需要加热时，应选择下图A所示的实验装置。②若反应物状态为固体+液体，反应不需要加热时，应选择下图B所示的实验装置。

（2）气体收集装置的选择：依据气体的物理性质（是否溶解于水、密度比空气大还是小）和化学性质（是否与水、空气发生反应）来选择。
①气体的密度大于空气的密度（或相对分子质量大于29），可用向上排空气法收集（上图D）。
②气体的密度小于空气的密度（或相对分子质量小于29），可用向下排空气法收集（上图E）。
③气体不易（或难）溶于水且不与水反应，可用排水法收集（上图C）。
【要点诠释】

1.实验室制取气体的一般思路和方法：

（1）首先要研究实验室制取气体的化学反应原理，即选择合适的反应物和反应条件（如常温、加热、加催化剂等），还要选择合适的实验装置，研究如何验证制得的气体等。

（2）选择反应时，要考虑原料易得，反应条件要求不高，操作简便安全，反应速率适中，生成气体不混入其他气体，便于收集。

（3）制取气体的装置包括发生装置和收集装置两部分。选择气体发生装置要根据反应物的状态和反应条件；选择气体的收集装置应考虑气体的密度和气体的溶解性及气体是否与水反应。

（4）验证气体时，实验现象要明显。
2.氧气、二氧化碳的实验室制法比较：

【典型例题】

类型一、考查二氧化碳的实验室制法

1. 实验室制取二氧化碳可以选用的发生装置是（   ）

            A                B                 C           D

【答案】B
【解析】制取二氧化碳一般选用石灰石（或大理石）和稀盐酸为原料，且反应不需加热，属于“固—液反应，不需加热”型，故应选B。D装置中产生的气体直接从长颈漏斗中逸出，无法收集，是一错误装置。

【总结升华】选择气体发生装置时要根据反应物的状态和反应条件。

2. 下列有关“固—液反应，不需加热”的气体发生装置合理的是（   ）

【答案】D

【解析】A中导气管太长，应稍伸出塞子即可，故A不合理；B中漏斗颈太短，C中长颈漏斗末端未伸入锥形瓶的底部，这样生成的气体容易从漏斗或长颈漏斗中逸出，故B、C不合理；只有D是合理的。

【总结升华】长颈漏斗的末端要伸入液面以下，防止生成的气体从漏斗口逸出。

3.（2015•北碚区模拟）如图A中锥形瓶装石灰石，长颈漏斗中注入稀盐酸，则下列实验不能达目的是（　　）

A．图A能成功制取并收集二氧化碳           

B．若图B中试剂为足量澄清石灰水，则可检验二氧化碳
C．图C用于干燥二氧化碳，则气体应a进b出

D．图D可用于证明二氧化碳密度比空气大且能灭火

【思路点拨】实验室通常用大理石或石灰石和稀盐酸反应制取二氧化碳，反应不需要加热，大理石和石灰石的主要成分是碳酸钙，能和稀盐酸反应生成氯化钙、水和二氧化碳；二氧化碳能溶于水，密度比空气大，不能燃烧，不支持燃烧，能使澄清石灰水变浑浊。

【答案】A

【解析】

A、图A能成功制取二氧化碳，由于没有集气瓶，因此不能收集二氧化碳，该装置不能达到实验目的；

B、若图B中试剂为足量澄清石灰水，则可检验二氧化碳，该装置能够达到实验目的；

C、图C用于干燥二氧化碳，则气体应a进b出，该装置能够达到实验目的；

D、D中，能够观察到蜡烛由下往上依次熄灭，说明二氧化碳的密度比空气大，不能燃烧，不支持燃烧，该装置能够达到实验目的。故选A。

【总结升华】合理设计实验，科学地进行实验、分析实验，是得出正确实验结论的前提，因此要学会设计实验、进行实验、分析实验，为学好化学知识奠定基础。

　4．现用大理石和稀盐酸制取二氧化碳气体（如下图所示）：
　（1）写出该反应的化学方程式                        。
  （2）下图是制取二氧化碳的装置图，指出图中小试管A的作用                       。
　（3）怎样判断集气瓶中已集满二氧化碳气体                        。
【答案】
　（1）CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑
　（2）液封，防止二氧化碳气体从长颈漏斗中逸出
　（3）将一燃着的木条伸到集气瓶口，若木条火焰熄灭，则气体已集满
【解析】
　（1）大理石和稀盐酸反应制取二氧化碳的化学方程式是CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑。
（2）小试管的作用是使长颈漏斗的末端形成液封，防止生成的二氧化碳气体逸出。
（3）CO2的验满是将燃着的小木条放在瓶口，若木条熄灭，则证明已满了。
【总结升华】实验室制备CO2气体的反应原理、发生装置和收集装置的选择、检验及验满方法、注意事项等是中考考查的重要知识点。

举一反三：

【变式1】某研究性学习小组欲利用下列装置进行相关气体制取的探究，请你分析并填空。

（1）写出图中仪器a、b的名称 a          ，b          。

（2）实验室制取二氧化碳的化学方程式是                          。应选择的气体发生装置是         ，气体收集装置是                。

（3）实验室加热高锰酸钾制取氧气的化学方程式是                   ，应选择的发生装置是        ，若用盛满水的F装置收集氧气，应从导管      （填①或②）通入。

 【答案】（1）试管 、 集气瓶    

（2）CaCO3+2HCl＝CaCl2+H2O+CO2↑   B    D       

（3）2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2↑       A    ②      

【变式2】请根据下图所示实验装置图回答有关问题。
　 　　　　　
　　（1）请填写标号仪器的名称：①             ，②             ；
　　（2）实验室中用过氧化氢溶液与二氧化锰混合制取氧气时，应选择的发生装置为（填写装置代号，下同）             ，将药品加入装置前，应进行的操作是             ；
　　（3）实验室用石灰石和稀盐酸制取二氧化碳气体时，应选用的收集装置是            ；用该装置收集的气体所具有的物理性质是                       ，制取二氧化碳气体时发生反应的化学方程式为                                                  。
　【答案】
　　（1）酒精灯　 试管　

（2）B　 检验装置的气密性
　　（3）D 气体的密度大于空气的密度　 CaCO3+2HCl=CaCl2+ H2O+CO2↑
【变式3】（2015•金昌县一模）下列四个装置都能制取二氧化碳，其中能随时控制反应的发生和停止的是（　　）

【答案】D

【解析】

①虽然有止水夹可以控制的导出使锥形瓶内的气压增大，将将稀盐酸部分压入长颈漏斗，但是稀盐酸总是浸没大理石，所以无法控制反应的停止。

②干燥管只要放入烧杯中，稀盐酸可以随时进入干燥管产生气体，不用时可以随时移出干燥管使反应停止，或通过止水夹的开关利用干燥管内的气压加稀盐酸压出干燥管使反应停止，打开止水夹使稀盐酸进入干燥管使反应发生。故该装置能够使反应随时发生或停止。

③因为是单孔橡皮塞，所以不能随时控制反应的发生和停止。

④大理石通过玻璃珠放在U形管的一侧，要产生气体时，打开止水夹，U型管的右边压强减小，稀盐酸就会浸没大理石产生气体，不用时关闭止水夹，压强增大盐酸又被压到U形管的左侧，控制了反应的进行。故该装置能够使反应随时发生或停止；所以②④都能随时控制反应的发生和停止。故选D。