實驗室製取二氧化碳的發生裝置如下圖:
這個實驗可以考察的內容很多,不但能考察實驗室一般操作的注意事項,還能考察二氧化碳的物理性質、化學性質,還包括碳酸鈣、(濃、稀)鹽酸、(濃、稀)硫酸、硫酸鈣等的物理和化學性質等,讓我們共同討論一下實驗(製取)過程中,應注意的一些問題,多問幾個為什麼:
1、為什麼選擇用碳酸鈣和鹽酸反應?
可以生成二氧化碳的化學反應很多,比如我們學過的碳或木柴、蠟燭、酒精等在氧氣或空氣中燃燒,碳或一氧化碳在高溫下還原氧化銅,煅燒石灰石等,生成物都有二氧化碳,為什麼我們選用大理石或石灰石與鹽酸反應製取二氧化碳呢?
首先是考慮可操作性,其次考慮哪個更方便易行、原料是否易得、是否利於收集等。如果通過燃燒的方法製取,純氧氣不易得,用空氣的話,裡面含有4/5的氮氣等雜質,燃燒產生大量的熱量,不好持續進行,生成的氣體無法收集。還原金屬氧化物的方法,反應不完全,產生的氣體純度不高。煅燒石灰石需要高溫,對儀器要求高,而且高溫下氣體難以收集等等,大家可想而知。
選擇大理石或石灰石塊與稀鹽酸反應,既不放出大量的熱,也不需要加熱,反應速率適中,生成的氣體不混入其它氣體,便於收集。
2、為什麼選用如上圖的裝置?
製取氣體的裝置包括發生裝置和收集裝置兩部分。因反應物是固體加液體,反應過程不需要加熱,只需加入鹽酸和導出氣體。發生裝置選用錐形瓶、帶長頸漏鬥和導管的橡皮塞就行了;因生成的氣體二氧化碳能溶於水,且密度大於空氣密度(相對分子質量44大於空氣平均相對分子質量29),所以選擇向上排空氣法收集就可以了。
3、為什麼用稀鹽酸而不用濃鹽酸?
因為濃鹽酸具有揮發性,使製得的二氧化碳混有氯化氫而不純。
4、為什麼用稀鹽酸而不用稀硫酸?
硫酸雖然不具有揮發性,但碳酸鈣與稀硫酸生成的硫酸鈣(CaSO) 微溶於水,覆蓋在碳酸鈣表面,成為薄膜包住碳酸鈣,使反應很難繼續進行。
5、為什麼用塊狀的大理石或石灰石較好?
用塊狀大理石或石灰石跟稀鹽酸反應較好。因為粉末狀大理石跟稀鹽酸反應速度相當快,且形成大量泡沫,容易進入導管甚至集氣瓶。
6、為什麼不用碳酸鈉?
鹽酸容易揮發致使制出的二氧化碳容易含氯化氫,用硫酸不揮發但生成微溶於水的硫酸鈣阻礙反應繼續進行,為什麼不用碳酸鈉與稀硫酸?因為碳酸鈉反應太快,不易掌控,也不利於氣體收集。
7、為什麼長頸漏鬥下埠應在液面以下?
防止二氧化碳從漏鬥口逸出。
8、為什麼錐形瓶裡面的導管剛露出橡皮塞為好?
導管剛露出橡皮塞是為了能夠排淨錐形瓶內空氣。
9、為什麼強調集氣瓶內導管要伸入集氣瓶底?
只有伸入到瓶底,才能保證排淨集氣瓶內原有的空氣。
10、為什麼用燃著的木條放在集氣瓶口試驗?
利用二氧化碳的阻燃性。因為二氧化碳比空氣重,如果在瓶口就能使火焰熄滅,就說明瓶口處已經是二氧化碳了,所以證明瓶內已經充滿二氧化碳。