第四节 大自然中的二氧化碳

知识梳理

1.二氧化碳的循环以及对生活和环境的影响

(1)二氧化碳的生成和消耗：人和动植物的呼吸、化石燃料的燃烧都产生二氧化碳。而自然界消耗二氧化碳主要依靠绿色植物的_______以及水和矿物质对二氧化碳的溶解。

(2)大气中二氧化碳增多的原因及危害：人口增多、大量使用化石燃料、大量森林遭到破坏，导致大气中二氧化碳含量不断上升，引起了______________。

(3)控制温室效应的措施：减少化石燃料的使用；开发新能源或清洁能源；大力植树造林，严禁乱砍滥伐等。

答案：(1)光合作用 (2)温室效应

2.二氧化碳的实验室制法

(1) 实验室制取气体的思路和方法:

首先要研究气体实验室制取的化学反应原理，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，并需研究如何验证制得的气体就是所要制的气体。

(2)实验室制取二氧化碳的反应原理为：___________________________________。

(3)常用的实验室制取CO2的装置如图4-13：

图4-13

(4)CO2的收集：CO2密度比空气大、能溶于水且与水反应生成碳酸，一般只用向上排空气法收集CO2气体。收集气体时，导气管应伸入集气瓶底部以排尽集气瓶中的空气，使收集到的气体纯度较高。

(5)CO2气体的验证

①检验方法：将生成的无色、无味的气体通入到澄清的石灰水中，若澄清的石灰水变浑浊，则该气体为CO2。反应的化学方程式为：CO2+Ca(OH)2====CaCO3↓+H2O。

②验满的方法：将一根燃着的木条放在集气瓶口(不要伸入瓶内)，如果木条立即熄灭，则CO2气体已集满。

(6)实验室制取二氧化碳的操作步骤

一般步骤为：①按要求连接好仪器 ②检查装置的气密性 ③向反应器中装入大理石 ④向长颈漏斗中注入稀盐酸 ⑤收集气体 ⑥验满

答案：(2)CaCO3+2HCl====CaCl2+H2O+CO2↑

3.CO2的性质

(1)物理性质：____________________________。

(2)化学性质：

a.不燃烧，也_______，不供给呼吸

b.与水反应：CO2+H2O====H2CO3

c.与石灰水反应:CO2+Ca(OH)2====CaCO3↓+H2O

4.CO2的用途

制作_______、作温室气体肥料、灭火、_______等。

答案：(1)无色、无味、密度比空气大、能溶于水的气体 (2)不支持燃烧 碳酸饮料 干冰作制冷剂

疑难突破

1.实验室能够产生二氧化碳的途径有多种，如：碳的燃烧、木炭还原氧化铜、一氧化碳还原氧化铜、高温分解石灰石、含碳化合物的燃烧、碳酸钠与稀盐酸的反应以及大理石与稀硫酸的反应等等，为什么单单选用大理石(或石灰石)与稀盐酸的反应呢？

剖析：碳的燃烧，木炭还原氧化铜，一氧化碳还原氧化铜，高温分解石灰石制二氧化碳成本高、操作麻烦、纯度低，不适宜于实验室制取二氧化碳。而碳酸钠与稀盐酸的反应速率太快，不易收集。大理石(或石灰石)是块状固体，碳酸钙与稀硫酸反应生成的硫酸钙，不易溶于水，覆盖在碳酸钙表面，阻隔了硫酸与碳酸钙的接触，所以反应很快停止了。

选用大理石(或石灰石)与稀盐酸的反应制取二氧化碳的理由是：石灰石(或大理市)与稀盐酸反应不需加热，而且反应速度适中，易于收集。

2.在某些题目中会出现：刚刚制出的二氧化碳气体用导气管通入到澄清的石灰水中，未观察到浑浊现象。请思考其原因可能有哪些？

剖析：答案不固定，符合要求即可。

未观察到浑浊现象的原因很多，可从装置的选择、装置的气密性、酸的浓度、石灰水的有效性等方面作答。

问题探究

问题1 将CO2气体通入紫色石蕊试液，紫色石蕊试液会变成红色。设计实验探究是什么使紫色石蕊试液变红的。

探究：实验一：向干燥的紫色石蕊试纸上面洒水。

实验二：将干燥的紫色石蕊试纸放入盛有CO2气体的集气瓶。

实验三：先向干燥的紫色石蕊试纸上面洒水，然后再将湿润的紫色石蕊试纸放入盛有CO2气体的集气瓶。

现象：实验一、实验二中的紫色石蕊试纸未变红，实验三中的紫色石蕊试纸变红了，说明紫色石蕊试液变红是CO2气体和水共同作用的结果，实质上是：

CO2+H2O====H2CO3

是H2CO3使紫色石蕊试液变红的。

问题2 你们能总结出实验室制取气体的制备装置取决于什么？

探究：①取决于反应物的状态；②反应条件。

反应物的状态不同选用装置不同，如制H2，是固体与液体反应，要选用带有分液漏斗的装置，而制O2是直接用固体加热，要选用大试管、酒精灯等加热装置。

典题精讲

例1 如图4-14所示，水槽内盛有少量新制的澄清石灰水，点燃阶梯上的蜡烛，用玻璃钟罩将其扣在水糟内。

图4-14

(1)实验观察到的现象有:

①__________________，原因是____________________________________；

②__________________，原因是____________________________________；

③__________________，原因是____________________________________。

(2)小明用上述实验来测定空气中O2的体积含量，结果发现与理论数据有偏差，其原因可能是_________。(装置的气密性好)

思路解析 两枝蜡烛都熄灭是毫无疑问的，哪一枝蜡烛先熄灭?蜡烛在很小的空间内燃烧，放出的热量使生成的CO2分子的间隔变大，从而使CO2的密度变小，大部分CO2就集中在钟罩的上部。随着燃烧的进行，钟罩上部的CO2越来越多，由于CO2不能支持燃烧，高处蜡烛会先熄灭，低处蜡烛也相继熄灭。蜡烛燃烧生成的CO2被澄清的石灰水吸收，石灰水变浑浊； CO2被吸收后，钟罩内压强要减小，钟罩内水面上升。钟罩内的液面为什么不能上升约1/5体积呢?应围绕蜡烛燃烧和石灰水吸收CO2这两个反应去考虑：钟罩内的O2是否消耗完了，生成的CO2是否全部被吸收了?由于CO2不能支持燃烧，当钟罩内CO2浓度过高，在O2没有消耗完之前，蜡烛熄灭是很有可能的；如果摇动钟罩，CO2可能会被全部吸收，而实验中并没有摇动的操作，因此生成的CO2没有被全部吸收也是很有可能的。

答案：(1)①高处蜡烛先熄灭，低处蜡烛后熄灭 产生的热量使CO2的密度变小而上升，集中在钟罩的上部

②澄清的石灰水变浑浊 CO2+Ca(OH)2====CaCO3↓+H2O

③钟罩内液面上升 石灰水吸收CO2后，钟罩内压强减小

(2)钟罩内O2没有消耗完或生成的CO2没有被石灰水全部吸收等

例2 (经典回放)(1)实验室制取大量CO2气体，是否能用稀硫酸和大理石为原料？_______(填“是”或“否”)为什么？___________________________。

(2)图4-15是实验室制备CO2的装置图。该装置的特点是：打开弹簧夹，大理石和盐酸接触，发生反应；关闭弹簧夹后，盐酸被反应产生的CO2气体压回长颈漏斗，与大理石分离，停止反应。

图4-15

用该装置制备CO2可起到节约药品和取用方便的效果。图4-17装置中哪些可以起到与图4-15装置相同的效果？________(填写编号)。

图4-17

思路解析 (1)实验室制取 CO2气体常用稀盐酸跟大理石(或石灰石)反应，其反应原理是盐酸中的HCl跟石灰石中的CaCO3反应，生成能溶于水的CaCl2、H2O和CO2气体。由于生成的CaCl2能不断溶解在盐酸溶液中，生成的CO2气体不断挥发，所以反应能持续不断地平稳进行。若用稀硫酸跟大理石反应时，其反应原理为：H2SO4+CaCO3====CaSO4+H2O+CO2↑。由于生成的CaSO4微溶于水，就会使大理石表面被生成的CaSO4包裹，造成CaCO3不能再跟H2SO4接触，使反应逐渐停止。(2)正确解答第(2)问的关键是认真审题，弄清各实验装置的反应原理。装置图中的多孔塑料片本身不与盐酸反应，但它能使大理石跟稀盐酸之间实现接触或隔开的转换，进而实现反应进行或停止的控制。A中的大理石跟盐酸间没有隔离装置，不能控制反应。B中的盐酸可通过球形干燥管的下端细孔进入到管内球中，使盐酸跟大理石反应产生气体，关闭导气管时，管内生成的气体又可以把盐酸压到管外，而大理石留在管内，使反应停止。C是错误装置，D中的玻璃珠与盐酸不反应，但玻璃珠之间有间隔，盐酸可自由透过，能实现反应自由控制。

答案：(1)否 因为大理石与稀硫酸反应生成微溶的CaSO4覆盖在大理石表面，阻止了硫酸与大理石的进一步反应 (2)BD

例3 由气体A开始，可发生如下四个变化：

判断A、B、C、D各是什么物质？

思路解析 首先分析A气体与灼热的碳反应生成B，B可以是CO或CO2，接着B又与灼热的碳反应。确定B只能是CO2，因为CO不与灼热的碳反应，所以推断出A是氧气，B是二氧化碳，C是一氧化碳，D是碳酸钙。

答案：A.氧气 B.二氧化碳 C.一氧化碳 D.碳酸钙

知识导学

利用二氧化碳在自然界中的存在与循环，解释二氧化碳的生态平衡问题、环境保护以及许多工农业生产的有关问题(比如：温室效应、大棚蔬菜的增产等)；运用二氧化碳的性质，还可针对控制二氧化碳的排放及吸收的研究，来增强关心人类重大问题的社会责任感。

(1)对学习实验室制取气体的思路和方法的要点提示：

a.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，生成的气体不易混入其他气体，便于收集。

b.实验室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。

c.验证气体时，实验现象要明显。

(2)对选择实验室制取二氧化碳的药品的要点提示：

反应中所选的药品在反应时反应速率适中，大理石(或石灰石)价格较低。一般不用其他药品代替的理由：

①不用纯CaCO3或Na2CO3等代替大理石，是因为它们与盐酸反应速率太快，不便于控制；

②不用浓盐酸，因为浓盐酸易挥发出HCl气体使CO2不纯；

③不能用H2SO4代替盐酸，是因为H2SO4与CaCO3反应生成微溶的CaSO4会覆盖在大理石的表面，阻止了反应的继续进行。

(3)对实验室制取CO2的装置选择的要点提示：

一般情况下，若所需反应物的量较大，常用广口瓶、平底烧瓶、锥形瓶等仪器代替大试管做反应器。为防止生成的气体从长颈漏斗口逸出，其下端管口必须浸没在液面以下；反应器中导气管稍露出胶塞即可。

(4)CO2的收集方法应从它的溶解性和密度上考虑。

(5)CO2气体的检验方法从它的特性上考虑：它能使澄清的石灰水变浑浊。

它既不能燃烧，也不支持燃烧，能使燃着的火柴熄灭。

(6) 实验室制取二氧化碳的操作步骤可简单记忆为：“连—检—装—注—集—验。”

CO2的性质是本节的重点。

很多题目要求会设计实验证明它的性质。

物质的性质决定物质的用途，用途同样能反映出物质的性质。性质和用途的一一对应，也是本节的一个重点。

疑难导析

要强调实验室制取气体选择药品的原则一般遵循：①药品来源广、价廉；②条件：装置、操作简单；③产气速率适中、纯度高；④安全，副产物污染小或零污染。

然后要说明碳的燃烧，木炭还原氧化铜，一氧化碳还原氧化铜，高温分解石灰石制二氧化碳不符合原则①②③；碳酸钠与稀盐酸的反应不符合原则②；碳酸钙与稀硫酸反应不能进行。分析清楚产生二氧化碳的各种途径：碳的燃烧、木炭还原氧化铜、一氧化碳还原氧化铜、高温分解石灰石、含碳化合物的燃烧、碳酸钠与稀盐酸的反应，以及大理石与稀硫酸的反应等等，是否符合实验室制取气体的原则即可。

原因从这样几个方面去考虑：

①制出的二氧化碳气体是否有问题；

②澄清的石灰水是否有问题；

③制取二氧化碳所选装置是否有问题，装置是否漏气；

④酸的浓度是否过大。

问题导思

根据题目提供的信息我们的思路应该是：(1)分析CO2气体通入紫色石蕊试液后，溶液中有哪些物质。

(2)设计实验探究是哪一种物质使紫色石蕊试液变色的。实验设计的方向是：运用控制变量的手段，分别给紫色石蕊、CO2气体这一个变量，看紫色石蕊是否变红；水这一个变量，看紫色石蕊是否变红；CO2气体和水这两个变量，看紫色石蕊是否变红。

(3)根据实验现象分析，到底是什么使紫色石蕊试液变红的。

根据反应物的状态，选择适合的装置。如果反应需要加热，则应该选择适合加热的装置，否则则不用考虑装置是否需要加热。关键是明确反应原理，弄清反应物的状态，据反应条件选用制备装置。

典题导考

绿色通道 密闭容器内压强的大小与气体的多少有直接关系：气体减少，所产生的压强也会减少。

典题变式 某化学兴趣小组设计图4-16装置进行实验探究，经检验该装置气密性良好。用胶头滴管滴入稀盐酸，此时装置A的试管中可观察到的现象是：________________；同时装置B右端可观察到管内红墨水液面最终升至M处。

图4-16

若用同一装置，只将块状碳酸钙改用同质量的粉末状碳酸钙，滴入相同溶质质量分数相同体积的稀盐酸，重复上次实验，发现装置B右端的红墨水液面比上次更快地上升，并停留在M处。

(1)请写出装置A试管中反应的化学方程式：________________________________________。

(2)根据装置B的实验现象，你可从中得到的结论是(至少写两条)：

①________________________________________________________________________；

②________________________________________________________________________。

答案：固体溶解，气泡产生

(1)CaCO3+2HCl====CaCl2+H2O+CO2↑

(2)①同质量的粉末状和块状碳酸钙与同溶质质量分数同体积盐酸反应产生的气体量一样多

②盐酸与粉末状碳酸钙反应比与块状碳酸钙反应速率大

(再如：盐酸的浓度越大，反应速率就越大等其他合理答案均可)

绿色通道 初中化学有关气体的实验室制法的题目：选择气体发生原料时，要考虑反应物的状态和反应条件。如固、液反应不需加热的，都可选用制取CO2气体的装置。同时考虑生成物的状态如溶解性等对反应的影响。

典题变式 (2010新疆中考) 下面是实验室发生和收集氧气、氢气和二氧化碳等气体的仪器装置图(图中A—G是仪器装置代号)：

图4-18

(1)将装置A和E(或G)连接，可用于制取________，将装置B和G(或F)连接，可用于制取________，将装置B和E连接，可用于制取________。

(2)实验室常用加热氯化铵和氢氧化钙的固体混合物来制氨气(NH3)。氨气是密度比空气小、极易溶于水的气体。制取氨气时，应选用上述装置中的_________和________ (填编号)。

(3)实验室可用MnO2固体和浓盐酸的混合物共热制得氯气。可选用的气体发生装置________。

(4)硫化氢是一种有毒气体，其密度比空气大，能溶于水。实验室常用块状固体硫化亚铁(FeS)和稀硫酸在常温下反应制取硫化氢气体。可选用________作气体发生装置，收集装置是D，气体由________(填a或b)导入集气瓶。硫化氢加热到300 ℃可发生分解反应，生成单质硫和氢气。试写出其化学反应方程式________________________________________________。

答案：(1)氧气 氢气 二氧化碳 (2)A F (3)C

(4)B a H2SH2+S

绿色通道 根据反应的特征，两次与灼热的碳反应生成不同气体。

典题变式 试管里盛有黑色粉末，加热后有红色固体生成，同时产生没有颜色、没有气味的气体，此气体能使澄清的石灰水变浑浊，这种黑色粉末可能是( )

A.氧化铜 B.氧化铜和木炭粉的混合物

C.木炭粉和铜的混合物 D.木炭粉

答案：B