排水法收集二氧化碳气体的纯度问题探究，本文主要内容关键词为：纯度论文,气体论文,水法论文,二氧化论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
气体的制备是九年级化学的重要内容。关于
气体的收集问题，一直以来人们研究得较多的是能否用排水法进行收集，而关于排水法收集的纯度问题，研究者却很少。本文拟对这个问题做些探讨和探究。 一、排水法收集二氧化碳气体的可行性 已有越来越多的研究表明：
气体是可以用排水法进行收集的。人教版九年级化学教材的第一单元“走进化学世界”中“对人体呼出的气体的探究”中，收集呼出的气体就使用排水法。英国剑桥大学审定的一本已经是第二版的化学教科书[1]认为：收集
气体可以用排水集气法，并刊印有收集装置。 2013年，有老师用实验论证并指出“有一定流速的二氧化碳气体在水中溶解的量十分有限，且二氧化碳气体在逸出水面时是线性接触面，与水的接触面积和时间都有限。因此，当用排水法收集二氧化碳时，溶解的二氧化碳和与水发生反应的量都比较有限”[2]。同年，还有老师通过pH变化来测定
溶于水的损失量，得出“正常排水法溶解损失的二氧化碳的确很少，可以忽略不计，排水法收集二氧化碳完全合理”。 苏州市化学中考试卷甚至出现了排水法收集
气体的题目。比如，2007年中考化学卷的第28（5）题：实验室一般用向上排空气法收集二氧化碳气体，试问能否用排水法收集二氧化碳？请说明理由。（已知：通常状况下1L水大约能溶解1L二氧化碳气体）。答案：能。因为
溶解性有限，从导管口产生的气泡在水中能较快浮起而逸出，即二氧化碳气体生成和从水中的逸出的速率远大于其溶解和水反应的速率。答“
溶解度不大”也给分。答“不能”不给分，只答“能”未说明理由不给分。 综上，用排水法收集
气体是可行的。 二、排水法收集二氧化碳气体的纯度探究 用排水法是否可以收集到纯净的
气体呢？有老师通过氧气探头测定氧气含量，从而间接估算出收集到的气体中
的浓度。测得：排空气法收集的气体中氧气含量约是6.6%，换算成空气体积约是35%，二氧化碳的纯度约为65%；排水法收集的气体中氧气含量约是4%，换算成空气体积约是20%，二氧化碳的纯度约为80%。从而得出结论：通常情况下可以用排水法收集
，而且收集到的
气体比排空气法更纯[3]。 从理论上分析，用排水法应该是可以收集到纯净
气体的。关键是从什么时候开始收集。一般认为，排水法收集气体是从气泡均匀冒出时开始的。但我们分析，这时的气体应该是不纯净的。因为当气泡均匀冒出时，气体发生装置中还有较多空气会被
气体带出，所以这时收集到的
气体应该是不纯的。至少要待气体发生装置中的空气完全被排除以后，排水法收集的
气体才会是纯净的。 为了验证上述理论分析是否正确，我们做了以下实验探究。 [方法一]启普发生器制取气体加针管注射吸收法测
气体纯度 （一）实验原理 ①二氧化碳气体制取 本实验是定量实验，需要较为纯净的
气体。因此，我们没有采用教材上所说的大理石，而选用了板结成块状的碳酸钠晶体，这样便于控制反应速率。通过测试我们发现，1
的稀盐酸与块状的碳酸钠晶体反应，速率适中，便于收集气体。
为了便于添加药品和控制反应，本实验采用启普发生器作为发生装置。启普发生器的规格以球形漏斗的容积大小来区别，本次实验选用的是250mL的小型启普发生器。 ②混合气体中二氧化碳的含量测定
用50mL的注射器采集混合气体样品，用10mL注射器采集NaOH溶液。为了防止在混合过程中
气体的损失，我们采用注入式，将NaOH溶液注入混合气体中，并且用橡皮泥封闭针头交界处。 （二）实验器材 1
NaOH溶液、1
HCl、块状碳酸钠晶体、启普发生器、50mL注射器（不带针头）、10mL注射器（带针头）、橡皮泥、集气瓶（175mL）3个、水槽。 （三）实验步骤 两人一组做此实验。 ①准备3个集气瓶，分别编号，贴上标签，装满水后倒置于水槽中。 ②搭好启普发生器，检查装置气密性。向球形漏斗中加水。当水充满容器下部的半球体时，夹紧橡皮管。继续加水，使水上升到长颈漏斗的颈部。静置片刻，若水面不下降，则说明装置气密性良好，反之则说明装置漏气。 ③向启普发生器中添加块状碳酸钠和稀盐酸。 ④当反应开始，气泡均匀冒出时收集气体，连续收集3瓶。 ⑤用50mL注射器从第一个集气瓶中抽取
气体50mL，立刻用橡皮泥堵住出气口，推动针管检查气密性。 ⑥用10mL注射器抽取10mL NaOH溶液，用橡皮泥裹住针头靠近针管的部分。 ⑦将10mL NaOH溶液注入50mL气体中。 ⑧抽出针头，立刻用手堵住50mL注射器。 ⑨充分振荡后，读取剩余气体的体积。 ⑩抽取蒸馏水清洗50mL注射器数次。 （11）用同样方法测定剩余几个集气瓶中
的体积分数。 （12）重复步骤②～（11），做第二、三组平行实验。 （四）实验注意事项 ①用于堵塞大注射器出气口的橡皮泥要厚度适中，不宜太厚，不然会堵住针孔。小注射器上也需要包裹一层橡皮泥，这样可以和大注射器上的橡皮泥黏住，在注入NaOH溶液时防止气体散逸。 ②由于NaOH溶液较为滑腻，因此注射NaOH溶液时不可用力过猛，以防针头脱离针管，碱液溅出。 ③实验时要带防护眼罩，以防碱液溅入眼睛里。 （五）实验数据（见表1、图2）与分析
①第一瓶气体从反应开始后气泡均匀冒出时开始收集。从图2可以看出，
的体积分数不是很高。其原因是，发生装置内有大量空气被带出。 ②本实验使用的集气瓶容量为175mL，大于启普发生器的中球体积。当收集第二瓶气体时，发生装置内的空气被排出很多。这时，气泡以较快的速率均匀冒出。收集到的第二瓶
纯度高很多，这一点从图上也能看出来。 ③第一组实验由于加入的碳酸钠晶体量较多，所以连续收集了5瓶。这样第二瓶和第三瓶收集的速率都很快，且第三瓶比第二瓶更纯净。到第四瓶和第五瓶的时候，反应速率变慢，收集时间变长，
气体的体积分数也依次下降，分别为0.6和0.44。 （六）实验装置的不足与改进 三组实验都出现同样的情况：最后收集的
气体反而变得不纯净了。这一点出乎意料。我们猜测，可能的原因有两个。 第一，随着反应的进行，酸的浓度在不断减小，碳酸钠晶体的量也在减小，反应速率越来越慢，收集一瓶气体需要较长时间。集气瓶在水槽里的时间过长，收集到的气体中水蒸气的含量增加，导致
的含量变小。 第二个原因的可能性更大。即随着反应进行，启普发生器的气密性变差，部分空气进入发生装置，随同产生的
气体一同进入集气瓶。实验中我们发现，在收集最后一瓶气体时，启普发生器的液面中有气泡冒出，但是集气瓶中却收集不到气体。为了验证这一假设，我们再次检查了启普发生器的气密性。向球形漏斗中加水，使水上升到长颈漏斗的颈部，静置片刻，发现水面缓慢下降。可见，启普发生器是容易漏气的，其原因是接口较多。 针对这一发现，我们对实验设计做了改进。采取仅用一个橡皮塞的蒸馏烧瓶作为发生装置制取二氧化碳。关于吸收装置，我们还发现了针管注射法的一些问题，比如针头容易被橡皮泥堵塞、有喷出氢氧化钠的危险以及在注射的瞬间有漏气的可能。此外，用大针管从收满
气体的集气瓶中吸取50mL气体时也会混入空气。于是我们对吸收装置也做了改进，采用液封法，将收集到的
气体直接倒扣在装满氢氧化钠的水槽中进行吸收。这种吸收法更简单更安全，也不会混入额外的空气。 [方法二]蒸馏烧瓶制取气体加液封倒扣吸收法测
气体纯度 （一）实验原理 ①二氧化碳气体的制取 为了使该方法更贴近初三化学教学，这次我们采用教材上所说的大理石来制取
气体。通过测试发现，3
的稀盐酸与大理石反应，速率适中，便于收集气体。
的发生装置为蒸馏烧瓶，如图3所示，先加入大理石再加入稀盐酸。
②混合气体中二氧化碳的含量测定
（二）实验器材 1
NaOH溶液、3
HCl、大理石、150mL锥形瓶4个，水槽2个。 （三）实验步骤 两人一组做此实验。 ①准备4个锥形瓶，分别编号，贴上标签，装满水后倒置于水槽中。 ②分别向4个锥形瓶中加满水，通过水的体积测定其准确体积。 ③搭好发生装置，检查装置气密性。 ④先向烧瓶加入25g大理石，然后加入适量的3
HCl，立刻塞紧瓶塞。 ⑤当反应开始，气泡均匀冒出时收集气体，连续收集4瓶。 ⑥把锥形瓶倒置在装有NaOH溶液的水槽中，慢慢摇晃锥形瓶，让
充分溶解在NaOH溶液中。当锥形瓶中的液面不再上升，用瓶塞塞住瓶口，将锥形瓶取出水槽，充分振荡，使锥形瓶中残余的气体被NaOH溶液充分吸收。 ⑦再次把锥形瓶倒扣在NaOH的水槽中，摇晃锥形瓶，待不再有溶液进入锥形瓶为止。 ⑧把锥形瓶中的NaOH溶液倒入量筒，读取体积。该体积即为锥形瓶中
的体积。 ⑨重复步骤③～⑧，做第二、三组平行实验。 （四）实验注意事项 ①把锥形瓶倒置在NaOH溶液中进行溶解吸收时，注意不能漏气，所有操作均在溶液中进行。 ②本实验因为要触碰NaOH溶液，所以要带一次性医用手套进行操作，注意实验安全。 （五）实验数据（见表2、图5）与分析 ①第一瓶气体从反应开始后气泡均匀冒出时开始收集。从图5可以看出，
的体积分数不是很高。其原因是，发生装置内有大量空气被带出。 ②本实验使用的锥形瓶容量为150mL左右，和实验装置中的空气体积差不多。当收集第二瓶气体时，发生装置内的空气被排出很多。这时，气泡以较快的速率均匀冒出。收集到的第二瓶
纯度高很多。 ③之后收集到的第三瓶和第四瓶因为装置内的空气越来越少，也变得越来越纯，高达97%以上，越来越接近100%。但是由于气体中水蒸气的存在，不可能达到100%。
以瓶数为横坐标、
的体积分数为纵坐标作图，见图5。
三、探究结论 用排水法来收集
气体是可行的。但是中学里面普遍认为的气泡均匀冒出时开始收集，这时得到的
气体其实是不纯净的，因为发生装置内还有很多空气会被夹带出来。如果要想收集到纯净的
气体，则要在发生装置内的空气被排净之后。至少要放掉与发生装置相等的气体以后，收集到的
气体才有可能纯净。此外，启普发生器由于接口较多，装置很容易漏气。若要制备纯净气体，最好不要使用启普发生器作为发生装置。 综上，本研究发现，排水法收集
气体，气泡均匀冒出时开始收集，得到的第一瓶
气体是不纯净的。那么，第一瓶气体中
的纯度是多少？第几瓶气体才是纯净的
？这取决于收集装置的体积与发生装置中空气体积的相对大小，还取决于
气体的流速。本实验得到的集气瓶中
体积分数的数据是在本实验所采用的仪器规格和所用药品的浓度下测定出来的，换个实验条件，所得数据就会有所不同。此外，如果气体发生装置不漏气，排水法收集得到的气体将会随着瓶数的增加越来越纯净。但由于水蒸气的存在，如果没有除水装置，排水法收集得到的气体不可能达到100%的纯度。
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