斯陈冲
台州市外国语学校 邮政编码：318000
摘要：浙教版八年级《科学》下册第三章涉及了氧气和二氧化碳的制取与收集，然而并未对气体收集这一知识点作详细阐述，学生对气体收集原理和装置选择不理解，针对学生在该知识点中存在的问题，本探究从收集原理和装置上进行分析，并加以验证，让学生掌握常见气体收集方法的类型与合适气体收集装置的选择。
关键词：中学、集气、装置、探究
浙教版八年级《科学》下册第三章列举了氧气和二氧化碳的制取和收集方法。根据气体密度和溶解度不同， 采用排气法和排水法两种，而排气法又可分为向上和向下两种。
图1. 气体收集方法原理
从气体的溶解性和密度来选择气体收集装置和方法，看起来似乎合情合理，但若教师没有作进一步的解释。学生表面懂了，对气体收集原理和装置选择并未理解。 学生存在困难主要有以下两点： 1、 常见型气体收集装置的导管伸入长短不同， 排空气法需将导管伸入集气瓶底，而排水法只需在集气瓶口。为何？2、常见型排空气法收集装置中瓶口分为向上和向下，若瓶口朝向相反就不能收集到相应气体吗？3、变式型收集装置有一长一短两根导管， 无法确定进气和排气管，从而对装置连接题束手无策。
集气方法和装置的选择是化学的基本操作点，也是中考必考知识点。没有充分的解释和直观的实验论证， 这一知识点对初中学生是一个学习难点。学生中就会形成两类群体：一类是坚定相信只有某种收集方法才能收集到某一气体，另一类则是对气体的收集装置的设置情况有很多的怀疑。无论是哪一类群体，在遇到变式的气体收集或需应用到新的问题情景时就会出现困难。
化学家傅鹰先生曾说 ，只有实验才是化学的“最高法庭”。化学的学习离不开实验。常见气体是初中科学化学学习的重要内容之一 ，故而初中科学实验离不开气体的收集 ，这是初中科学实验的基本操作和重点实验内容。因此，教师应把知识原理、实验探究验证和变式训练结合起来，以形象具体地实验现象、师生共同探讨和老师完善小结，使学生真正理解各种气体收集方法的原理、收集装置的区别和适用范围等 。
一、常见装置中导管伸入长短问题和瓶口朝向问题
（一）排空气法
能溶于水或与水反应且密度与空气不同的气体，再根据气体密度比空气大或小，又分为向上和向下排空气法，如CO2、NH3等。
1、向上排空气法
（1）适用范围：收集密度比空气大且不与空气反应的气体。
（2）常见装置（图2-1）
装置特点：进气导管伸至瓶底，集气瓶口向上（瓶内气体从集气瓶口、毛玻璃片和导管三者间的缝隙中排到瓶外）。
原理解释：气体进入的导管伸入瓶底，使气体进入首先到达瓶底。由于气体的密度比空气大，不易与空气混合，随气体的不断导入，原来瓶内空气被向上挤，最终从集气瓶口逸出（瓶内气体逸出口见图1中的黑点处）。
实验验证：先将厚双面胶粘于集气瓶底，再用镊子将串有湿润蓝色石蕊试纸的细铁丝插入厚双面胶中，最后分别向图2-2、2-3、2-4三个集气瓶中通入二氧化碳气体。实验现象如表1。
图2. 向上排空气法实验验证图
该方法利用湿润石蕊试纸的变色情况和时间，将原本用排空气法收集无色气体的隐性过程显性化，从而使学生对向上排空气法收集气体的常见实验装置有了正确地认识。无论集气瓶口向上还是向下，导管伸入短或长，石蕊试纸都会变红，即三种情况都能收集到一定量的CO2气体；但向上排空气法采用进气导管伸入瓶底装置，能更快地收集更为纯净的气体。原理口诀为“上空—低进高出”。
2、向下排空气法
（1） 适用范围：收集密度比空气小，且不与空气中成分反应的气体。
（2） 常见装置（图3）
装置特征：气体进入的导管要伸入瓶底；集气瓶口向下（瓶内气体出口在集气瓶口、毛玻璃片和导管三者间的缝隙）。
原理解释：集气瓶口向下；气体进入的导管伸入瓶底，使气体进入首先到达瓶底（装置的上部）由于气体的密度比空气小，不易于空气混合，且会将原来瓶内的空气向下挤压，从而瓶内的空气就从下方出口（瓶内气体逸出扣见图3中的红点处）逸出，随着通入气体量的增加，直到瓶内空气排尽。若导管不伸入瓶底就会出现向上排空气法验证实验中一样的现象，收集的气体密度空气小在向上扩散时与空气混合。
在学习向上排空气法的基础上，学生能顺利地推出向下排空气法中进气导管和瓶内气体逸出口该如何设置。原理口诀为“下空—高进低出”。
图3. 向下排空气法常见装置 图4 排水法装置
（3）小试牛刀
2017年台州中考题21题中（3）实验室用加热无水醋酸钠与碱石灰固体混合物来制取并收集一瓶较为纯净的甲烷气体，则应选用图中的___装置（填字母）
在没有进行本课的实验认证前，班级45位同学对类似题目的答题中有10位同学收集装置选取错误 ，在本课教学后一周以后用上题作为测试全班错误 1人。
3、排水法
（1）适用范围：不易溶于水且不与水反应的气体收集，如H2、O2等。
（2）常见装置
图4较为简单，为确保收集到的气体纯净，应先将集气瓶注满水，当看到导管口有气泡连续冒出后开始收集。理解排空气法的实质后，也可以将其原理推广到排水法，所收集的气体比集气瓶内水的密度小，可以形象地看成是“向下排水法”，但又与向下排空气法有不同之处，因气体不会与瓶内的水混合在一起，所以导管只需伸到集气瓶口。
二、变式装置中的长短导管问题
（一）排空气法变式装置
在习题中常常利用图5-1或图5-2的装置，采用向上排空气收集气体，那么进气需连接长导管还是短导管？学生通过前面的原理解释和实验论证对向上排空气有了具体形象的认识。我们只需先比较长短导管口在装置内高低位置（瓶内气体在装置内的进出口见图中的黑点处）， 再利用“低进高出”原则就可顺利完成该题。即图5-1为a进b出，图5-2为d进c出。
图5. 排空气法变式装置
若将图5-1或图5-2的装置用于向下排空气收集气体，又如何确定进气导管和排气导管？我们用相同的方法得到长短管在装置内的高低位置，再利用“下空—高进低出”原则确定进出气导管。即如图5-1为b进a出，图5-2为c进d出。
小题测试：实验室为收集干燥的二氧化碳气体，让制取的气体先后经过甲、乙两装置。 则甲乙两装置导管的连接顺序为，填图中的___装置（填字母）
（二）排水法变式装置
图6. 排水法变式装置
图6-1为排水法的变式装置，该装置原理同向下排空气法变式装置图5-1，收集的气体密度比瓶内原有物质（气体或液体）小，则进出口的导管连接应为“高进低出”。即如图6-1为b进a出。
图6-2与图6-3装置在收集气体的同时并测量了气体的体积，集气瓶中先充满水，“高进低出”这样瓶内水从底部出口流出，用量筒测量溢出的体积，即排出的水的体积为收集到气体的体积。这是教材之外资料上常见的知识点，往往是通过收集的气体的量通过质量守恒定律计算出反应物的量。图6-3与图6-2比，在水面上加一层植物油，隔绝了收集的气体与水接触，常用于收集会溶于水或会与水发生反应的气体。
在理解了气体收集法的原理后，同学们可以得到一个启示：其实只要遵循原理，排空气法可以是“排某种气体法”，排水法也可以是“排油法”或“排某种液体法”。然而，我们平常气体收集多为排空气法和排水法，它们除了其符合气体收集的原理，更重要的这两种物质（水和空气）易得，成本低，操作方便等。通过以上内容的讲解，可以有效促进学生对气体收集方法的原理理解，提高对不同装置的分析和选择能力。
实验改进是无止境的， 源自学生学习中的困惑，促使教师想方设法把更加直观的实验现象呈现在学生眼前。实验改进的过程是艰辛的，动力来自学生在亲身经历时的喜悦和收获。例如本节课学生通过亲手实验，体验了诸如“正确地连接实验装置”、“观察蓝色石蕊试纸变色过程差异”、“观察分析得出变式气体收集装置中气体的进出口位置等操作要点，提升了学生的实验素养，并使课堂的探究教学落实到实处，凸显了真实探究的教学理念。真正做到了让事实说话、以理服人。
参考文献：
[1]陈锋.复习课的问题透视与增效策略[J].上海教育科研,2014(5):88.
[2]左丽虹.初中化学实验中收集气体的装置及方法[J].考试周刊,2014(59):139.
[3]周信军.探究排气法收集气体的两个问题[J].教学食品与实验,2011(1):22.
[4]张国文.巧妙收集气体[J]. 科学大众(科学教育)，2011(7):28.