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16. (16 分) 新趋势 项目式探究 用实验的方法研究$\ce{CO_{2}}$的制取和性质是初中化学重要的学习内容。
【活动一】探究$\ce{CO_{2}}$的实验室制法
(1)在实验室不利用碳的燃烧来制取$\ce{CO_{2}}$,其主要原因是
(2)二氧化碳密度大于空气且不与空气反应,通常采用
【活动二】探究$\ce{CO_{2}}$在水中的溶解
(3)探究溶解速率:该小组用排水法收集$\ce{CO_{2}}$(如图1),待收集$100\ \mathrm{mL}\ \ce{CO_{2}}$后,移出导管。每隔一段时间观察并记录量筒内$\ce{CO_{2}}$体积。重复实验,所测数据平均值如下表。
分析上表数据,得出也能用排水法收集$\ce{CO_{2}}$,写出你的判断依据
(4)探究溶解能力:如图2,用大号针筒抽取$200\ \mathrm{mL}$二氧化碳气体,试剂瓶中加入$200\ \mathrm{mL}$水(恰好加满),塞紧双孔橡皮塞,连接大号针筒和试剂瓶,缓慢推动活塞,将二氧化碳注入水中。当向水中注入$\ce{CO_{2}}$气体体积达到$120\ \mathrm{mL}$时,红色油柱开始向上移动,实验表明在该条件下,1体积水中能溶解
【活动三】探究$\ce{CO_{2}}$的重要性质
(5)将二氧化碳气体缓慢通入如图3所示装置,并观察实验现象。
①实验中观察到
②通入二氧化碳一段时间后,三个烧杯中蜡烛均熄灭,能证明“$\ce{CO_{2}}$密度大于空气”的是烧杯
【活动一】探究$\ce{CO_{2}}$的实验室制法
(1)在实验室不利用碳的燃烧来制取$\ce{CO_{2}}$,其主要原因是
用碳的燃烧来制取$\ce{CO_{2}}$时,反应物中有氧气参加,氧气的量不易控制,氧气过量,收集的气体是二氧化碳和氧气的混合物,氧气不足,收集的气体是一氧化碳和二氧化碳的混合物(合理即可)
(答出1条)。(2)二氧化碳密度大于空气且不与空气反应,通常采用
向上排空气
法收集。【活动二】探究$\ce{CO_{2}}$在水中的溶解
(3)探究溶解速率:该小组用排水法收集$\ce{CO_{2}}$(如图1),待收集$100\ \mathrm{mL}\ \ce{CO_{2}}$后,移出导管。每隔一段时间观察并记录量筒内$\ce{CO_{2}}$体积。重复实验,所测数据平均值如下表。
分析上表数据,得出也能用排水法收集$\ce{CO_{2}}$,写出你的判断依据
二氧化碳溶于水的速率远小于二氧化碳逸出的速率
。(4)探究溶解能力:如图2,用大号针筒抽取$200\ \mathrm{mL}$二氧化碳气体,试剂瓶中加入$200\ \mathrm{mL}$水(恰好加满),塞紧双孔橡皮塞,连接大号针筒和试剂瓶,缓慢推动活塞,将二氧化碳注入水中。当向水中注入$\ce{CO_{2}}$气体体积达到$120\ \mathrm{mL}$时,红色油柱开始向上移动,实验表明在该条件下,1体积水中能溶解
0.6
体积二氧化碳。【活动三】探究$\ce{CO_{2}}$的重要性质
(5)将二氧化碳气体缓慢通入如图3所示装置,并观察实验现象。
①实验中观察到
干燥的紫色石蕊试纸不变红,湿润的紫色石蕊试纸变红
,能得出“$\ce{CO_{2}}$与水发生反应”的结论。②通入二氧化碳一段时间后,三个烧杯中蜡烛均熄灭,能证明“$\ce{CO_{2}}$密度大于空气”的是烧杯
A
(填“A”“B”或“C”)。答案
(1)用碳的燃烧来制取$\ce{CO_{2}}$时,反应物中有氧气参加,氧气的量不易控制,氧气过量,收集的气体是二氧化碳和氧气的混合物,氧气不足,收集的气体是一氧化碳和二氧化碳的混合物(合理即可)
(2)向上排空气
(3)二氧化碳溶于水的速率远小于二氧化碳逸出的速率
(4)0.6
(5)①干燥的紫色石蕊试纸不变红,湿润的紫色石蕊试纸变红 ②A
解析:(2)二氧化碳密度大于空气且不与空气反应,通常采用向上排空气法收集。(3)由表中数据可知,二氧化碳溶于水的速率较慢。12 h才溶解了23 mL,所以可用排水法收集二氧化碳的理由是二氧化碳溶于水的速率远小于二氧化碳逸出的速率。(4)当向水中注入$\ce{CO_{2}}$气体体积达到120 mL时,红色油柱开始向上移动,说明200 mL水中最多能溶解120 mL二氧化碳,实验表明在该条件下,1体积水中能溶解二氧化碳的体积是$\dfrac{120\ \mathrm{mL}}{200\ \mathrm{mL}}=0.6$。(5)①紫色石蕊遇酸性物质变红,二氧化碳通入装置中时,干燥的紫色石蕊试纸不变红;二氧化碳与湿润的紫色石蕊试纸中的水反应生成碳酸,碳酸使湿润的紫色石蕊试纸变红;因此证明$\ce{CO_{2}}$与水发生了反应的实验现象为干燥的紫色石蕊试纸不变红,湿润的紫色石蕊试纸变红。②A中导管口在烧杯口处,B、C中导管口接近烧杯底部,而A烧杯中蜡烛由下至上依次熄灭,说明二氧化碳沿着烧杯壁进入烧杯的底部,由此证明二氧化碳的密度比空气的大。
(2)向上排空气
(3)二氧化碳溶于水的速率远小于二氧化碳逸出的速率
(4)0.6
(5)①干燥的紫色石蕊试纸不变红,湿润的紫色石蕊试纸变红 ②A
解析:(2)二氧化碳密度大于空气且不与空气反应,通常采用向上排空气法收集。(3)由表中数据可知,二氧化碳溶于水的速率较慢。12 h才溶解了23 mL,所以可用排水法收集二氧化碳的理由是二氧化碳溶于水的速率远小于二氧化碳逸出的速率。(4)当向水中注入$\ce{CO_{2}}$气体体积达到120 mL时,红色油柱开始向上移动,说明200 mL水中最多能溶解120 mL二氧化碳,实验表明在该条件下,1体积水中能溶解二氧化碳的体积是$\dfrac{120\ \mathrm{mL}}{200\ \mathrm{mL}}=0.6$。(5)①紫色石蕊遇酸性物质变红,二氧化碳通入装置中时,干燥的紫色石蕊试纸不变红;二氧化碳与湿润的紫色石蕊试纸中的水反应生成碳酸,碳酸使湿润的紫色石蕊试纸变红;因此证明$\ce{CO_{2}}$与水发生了反应的实验现象为干燥的紫色石蕊试纸不变红,湿润的紫色石蕊试纸变红。②A中导管口在烧杯口处,B、C中导管口接近烧杯底部,而A烧杯中蜡烛由下至上依次熄灭,说明二氧化碳沿着烧杯壁进入烧杯的底部,由此证明二氧化碳的密度比空气的大。
解析
【分析】
本题围绕CO₂的制取和性质展开项目式探究，需结合实验原理、数据对比、现象分析逐一解答：
1. 对于(1)：实验室制CO₂不选碳燃烧，核心是碳燃烧的反应物含O₂，O₂量难控制，会导致气体不纯，需明确这一缺点；
2. (2)气体收集方法由密度和与空气的反应性决定，CO₂密度大于空气且不与空气反应，对应收集方法；
3. (3)判断排水法收集CO₂的依据，需对比数据中CO₂的溶解速率和逸出速率，看溶解是否缓慢；
4. (4)计算1体积水溶解的CO₂体积，利用“溶解的CO₂体积÷水的体积”，结合实验中油柱移动时的体积数据计算；
5. (5)①验证CO₂与水反应，需做对比实验：干燥石蕊试纸（仅接触CO₂）不变红，湿润石蕊试纸（接触CO₂和水）变红，通过现象差异证明反应；②证明CO₂密度大于空气，需找能体现气体沉降的实验现象，A烧杯的导管位置和蜡烛熄灭顺序符合要求。
【解析】
(1) 碳燃烧制取CO₂时，反应物中有氧气参加，氧气的量不易控制，若氧气过量则收集的气体混有氧气，若氧气不足则会生成一氧化碳，导致收集的气体不纯，因此不采用碳燃烧制取CO₂（合理即可）；
(2) 气体收集方法的选择依据：密度大于空气且不与空气反应的气体，采用向上排空气法收集，故CO₂用向上排空气法；
(3) 由表格数据可知，CO₂溶解速率较慢，12h仅溶解23mL，说明CO₂溶于水的速率远小于其逸出的速率，因此可用排水法收集；
(4) 实验中，200mL水最多能溶解120mL CO₂，故1体积水中能溶解CO₂的体积为$\frac{120\ \mathrm{mL}}{200\ \mathrm{mL}}=0.6$；
(5) ① 要证明CO₂与水反应，需对比干燥和湿润的紫色石蕊试纸：干燥的紫色石蕊试纸接触CO₂不变红（说明CO₂不能使石蕊变红），湿润的紫色石蕊试纸接触CO₂后变红（说明CO₂与水反应生成碳酸，碳酸使石蕊变红），因此现象为干燥的紫色石蕊试纸不变红，湿润的紫色石蕊试纸变红；② A烧杯中导管口在烧杯口，蜡烛由下至上依次熄灭，说明CO₂沿烧杯壁进入烧杯底部，证明CO₂密度大于空气；B、C中导管口接近烧杯底部，直接通入CO₂，无论密度如何都会使蜡烛熄灭，因此选A。
【答案】
(1) 反应物中有氧气参加，氧气的量不易控制，收集的气体不纯（合理即可）
(2) 向上排空气
(3) 二氧化碳溶于水的速率远小于二氧化碳逸出的速率
(4) 0.6
(5) ① 干燥的紫色石蕊试纸不变红，湿润的紫色石蕊试纸变红；② A
【知识点】
二氧化碳的实验室制法、二氧化碳的性质、气体收集方法
【点评】
本题以项目式探究的形式，结合实验操作、数据处理和对比实验，考察初中化学中CO₂的核心知识点，注重学生的实验分析与逻辑推理能力，是一道基础且典型的综合题。
【难度系数】
0.7
本题围绕CO₂的制取和性质展开项目式探究，需结合实验原理、数据对比、现象分析逐一解答：
1. 对于(1)：实验室制CO₂不选碳燃烧，核心是碳燃烧的反应物含O₂，O₂量难控制，会导致气体不纯，需明确这一缺点；
2. (2)气体收集方法由密度和与空气的反应性决定，CO₂密度大于空气且不与空气反应，对应收集方法；
3. (3)判断排水法收集CO₂的依据，需对比数据中CO₂的溶解速率和逸出速率，看溶解是否缓慢；
4. (4)计算1体积水溶解的CO₂体积，利用“溶解的CO₂体积÷水的体积”，结合实验中油柱移动时的体积数据计算；
5. (5)①验证CO₂与水反应，需做对比实验：干燥石蕊试纸（仅接触CO₂）不变红，湿润石蕊试纸（接触CO₂和水）变红，通过现象差异证明反应；②证明CO₂密度大于空气，需找能体现气体沉降的实验现象，A烧杯的导管位置和蜡烛熄灭顺序符合要求。
【解析】
(1) 碳燃烧制取CO₂时，反应物中有氧气参加，氧气的量不易控制，若氧气过量则收集的气体混有氧气，若氧气不足则会生成一氧化碳，导致收集的气体不纯，因此不采用碳燃烧制取CO₂（合理即可）；
(2) 气体收集方法的选择依据：密度大于空气且不与空气反应的气体，采用向上排空气法收集，故CO₂用向上排空气法；
(3) 由表格数据可知，CO₂溶解速率较慢，12h仅溶解23mL，说明CO₂溶于水的速率远小于其逸出的速率，因此可用排水法收集；
(4) 实验中，200mL水最多能溶解120mL CO₂，故1体积水中能溶解CO₂的体积为$\frac{120\ \mathrm{mL}}{200\ \mathrm{mL}}=0.6$；
(5) ① 要证明CO₂与水反应，需对比干燥和湿润的紫色石蕊试纸：干燥的紫色石蕊试纸接触CO₂不变红（说明CO₂不能使石蕊变红），湿润的紫色石蕊试纸接触CO₂后变红（说明CO₂与水反应生成碳酸，碳酸使石蕊变红），因此现象为干燥的紫色石蕊试纸不变红，湿润的紫色石蕊试纸变红；② A烧杯中导管口在烧杯口，蜡烛由下至上依次熄灭，说明CO₂沿烧杯壁进入烧杯底部，证明CO₂密度大于空气；B、C中导管口接近烧杯底部，直接通入CO₂，无论密度如何都会使蜡烛熄灭，因此选A。
【答案】
(1) 反应物中有氧气参加，氧气的量不易控制，收集的气体不纯（合理即可）
(2) 向上排空气
(3) 二氧化碳溶于水的速率远小于二氧化碳逸出的速率
(4) 0.6
(5) ① 干燥的紫色石蕊试纸不变红，湿润的紫色石蕊试纸变红；② A
【知识点】
二氧化碳的实验室制法、二氧化碳的性质、气体收集方法
【点评】
本题以项目式探究的形式，结合实验操作、数据处理和对比实验，考察初中化学中CO₂的核心知识点，注重学生的实验分析与逻辑推理能力，是一道基础且典型的综合题。
【难度系数】
0.7
四、计算题(共10分)
17.(2026·滨州期中)兴趣小组的同学为测定某壶垢中所含碳酸钙的质量分数,向盛有10 g壶垢的烧杯中加入稀盐酸,实验测得烧杯中剩余物质总质量与加入稀盐酸的质量之间的关系如图所示(壶垢中其他成分不与稀盐酸反应)。
(1)反应中生成二氧化碳的质量是
(2)计算该壶垢中碳酸钙的质量分数。
17.(2026·滨州期中)兴趣小组的同学为测定某壶垢中所含碳酸钙的质量分数,向盛有10 g壶垢的烧杯中加入稀盐酸,实验测得烧杯中剩余物质总质量与加入稀盐酸的质量之间的关系如图所示(壶垢中其他成分不与稀盐酸反应)。
(1)反应中生成二氧化碳的质量是
3.3
g。(2)计算该壶垢中碳酸钙的质量分数。
答案
(1)3.3
(2)解:设该壶垢中碳酸钙的质量分数为x。
$\ce{CaCO_{3} + 2HCl\xlongequal{} CaCl_{2} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}$
100 44
$10\ \mathrm{g}× x$ 3.3 g
$\dfrac{100}{44}=\dfrac{10\ \mathrm{g}× x}{3.3\ \mathrm{g}}$ $x=75\%$
答:该壶垢中碳酸钙的质量分数为75%。
解析:(1)壶垢中的碳酸钙与稀盐酸反应生成氯化钙、水和二氧化碳,化学方程式为$\ce{CaCO_{3} + 2HCl\xlongequal{} CaCl_{2} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}$。根据图像,加入稀盐酸超过100 g之后,曲线斜率增大,说明不再产生气体,根据质量守恒定律,加入100 g稀盐酸时,反应前总质量(壶垢质量+加入稀盐酸质量)为$10\ \mathrm{g}+100\ \mathrm{g}=110\ \mathrm{g}$,反应后剩余物质总质量为106.7 g,因此生成二氧化碳的质量为$110\ \mathrm{g}-106.7\ \mathrm{g}=3.3\ \mathrm{g}$。
(2)解:设该壶垢中碳酸钙的质量分数为x。
$\ce{CaCO_{3} + 2HCl\xlongequal{} CaCl_{2} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}$
100 44
$10\ \mathrm{g}× x$ 3.3 g
$\dfrac{100}{44}=\dfrac{10\ \mathrm{g}× x}{3.3\ \mathrm{g}}$ $x=75\%$
答:该壶垢中碳酸钙的质量分数为75%。
解析:(1)壶垢中的碳酸钙与稀盐酸反应生成氯化钙、水和二氧化碳,化学方程式为$\ce{CaCO_{3} + 2HCl\xlongequal{} CaCl_{2} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}$。根据图像,加入稀盐酸超过100 g之后,曲线斜率增大,说明不再产生气体,根据质量守恒定律,加入100 g稀盐酸时,反应前总质量(壶垢质量+加入稀盐酸质量)为$10\ \mathrm{g}+100\ \mathrm{g}=110\ \mathrm{g}$,反应后剩余物质总质量为106.7 g,因此生成二氧化碳的质量为$110\ \mathrm{g}-106.7\ \mathrm{g}=3.3\ \mathrm{g}$。
解析
【分析】
要解决这道题，首先利用质量守恒定律，反应前后烧杯中物质的总质量差就是生成二氧化碳的质量（因为碳酸钙与稀盐酸反应生成的二氧化碳气体会逸出，导致总质量减少）。接着根据化学方程式，利用生成二氧化碳的质量计算壶垢中碳酸钙的质量，再除以壶垢总质量即可得到碳酸钙的质量分数。解题时需从图像中提取恰好反应时的质量数据，结合质量守恒定律求出二氧化碳质量，再代入化学方程式计算。
【解析】
(1) 根据质量守恒定律，反应前壶垢和稀盐酸的总质量为：$10\ \mathrm{g} + 100\ \mathrm{g} = 110\ \mathrm{g}$，反应后剩余物质总质量为$106.7\ \mathrm{g}$，因此生成二氧化碳的质量为：$110\ \mathrm{g} - 106.7\ \mathrm{g} = 3.3\ \mathrm{g}$。
(2) 设该壶垢中碳酸钙的质量分数为$x$。
反应的化学方程式为：$\ce{CaCO_{3} + 2HCl\xlongequal{} CaCl_{2} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}$
各物质的质量关系：$\dfrac{100}{44} = \dfrac{10\ \mathrm{g}×x}{3.3\ \mathrm{g}}$
解得：$x = \dfrac{100×3.3\ \mathrm{g}}{44×10\ \mathrm{g}} = 75\%$
【答案】
(1) 3.3；(2) 75%
【知识点】
质量守恒定律，根据化学方程式计算，碳酸钙与盐酸反应
【点评】
本题结合图像考查化学计算，关键是利用质量守恒定律确定二氧化碳的质量，再通过化学方程式计算碳酸钙的质量分数，需要学生具备分析图像和应用化学计算的能力，属于中等难度的常规计算题。
【难度系数】
0.5
要解决这道题，首先利用质量守恒定律，反应前后烧杯中物质的总质量差就是生成二氧化碳的质量（因为碳酸钙与稀盐酸反应生成的二氧化碳气体会逸出，导致总质量减少）。接着根据化学方程式，利用生成二氧化碳的质量计算壶垢中碳酸钙的质量，再除以壶垢总质量即可得到碳酸钙的质量分数。解题时需从图像中提取恰好反应时的质量数据，结合质量守恒定律求出二氧化碳质量，再代入化学方程式计算。
【解析】
(1) 根据质量守恒定律，反应前壶垢和稀盐酸的总质量为：$10\ \mathrm{g} + 100\ \mathrm{g} = 110\ \mathrm{g}$，反应后剩余物质总质量为$106.7\ \mathrm{g}$，因此生成二氧化碳的质量为：$110\ \mathrm{g} - 106.7\ \mathrm{g} = 3.3\ \mathrm{g}$。
(2) 设该壶垢中碳酸钙的质量分数为$x$。
反应的化学方程式为：$\ce{CaCO_{3} + 2HCl\xlongequal{} CaCl_{2} + H_{2}O + CO_{2}\uparrow}$
各物质的质量关系：$\dfrac{100}{44} = \dfrac{10\ \mathrm{g}×x}{3.3\ \mathrm{g}}$
解得：$x = \dfrac{100×3.3\ \mathrm{g}}{44×10\ \mathrm{g}} = 75\%$
【答案】
(1) 3.3；(2) 75%
【知识点】
质量守恒定律，根据化学方程式计算，碳酸钙与盐酸反应
【点评】
本题结合图像考查化学计算，关键是利用质量守恒定律确定二氧化碳的质量，再通过化学方程式计算碳酸钙的质量分数，需要学生具备分析图像和应用化学计算的能力，属于中等难度的常规计算题。
【难度系数】
0.5
