OPOpenPith让好奇，看得见化学实验室 / 03

实验室制取气体

核心原理：

模型与来源 ↓

高锰酸钾 / 最先冒出的是什么

最先冒出的气泡，不是氧气。

点燃酒精灯后，试管和导管里原有的空气受热膨胀，先从导管口冒出来。这时药品还没开始分解，气泡里只有空气，氧气约占 21%。

药品升到约 240 °C 开始分解，放出的氧气和管里的空气混在一起，一起从导管冒出。氧气越来越多，空气越来越少，冒出气体中的氧气含量从 21% 一路升高。

气泡连续均匀，说明装置里的空气已经基本被赶出去。这时再收集，瓶里才是比较纯的氧气。

高锰酸钾 / 比一比两种时机

刚冒气泡就收集，瓶里的氧气只有八成多。

本页模型里，点灯后约 36.6 秒，导管出气中的氧气达到 95%，气泡连续均匀。从这时开始收集，31.2 秒集满一瓶，瓶内氧气约 99.1%。

如果预热一结束（第 8 秒）刚冒气泡就收集，先进瓶的是膨胀出来的空气和最初的混合气，集满时瓶内氧气只有约 82.9%。

这一瓶还能让带火星的木条复燃吗？本页没有找到可靠来源给出复燃所需的氧气浓度，所以不下结论；画面中木条火焰的大小只按瓶内氧气含量示意。

高锰酸钾 / 每个操作为什么这样做

每一个操作要点，都在防一件事。

  • 试管口略向下倾斜防止冷凝水回流到热的试管底部，使试管炸裂。
  • 管口放一团棉花防止加热时高锰酸钾粉末进入导管。
  • 先预热，再用外焰对准药品预热使试管受热均匀，不易炸裂；外焰温度最高。
  • 先撤导管，再熄灭酒精灯顺序反了，试管冷却、管内气体收缩，水槽里的水会倒吸进热试管。
  • 用排水法收集氧气不易溶于水。氧气密度比空气略大，也能用向上排空气法收集，但排水法收集的更纯。

过氧化氢 / 二氧化锰起什么作用

不用加热，二氧化锰让过氧化氢迅速分解。

过氧化氢溶液在常温下也会分解成水和氧气，但非常慢。把它滴到二氧化锰上，立刻冒出大量气泡。本页模型里，滴加 45 秒共放出约 386.6 mL 氧气；不加二氧化锰，同样 45 秒只放出约 0.3 mL，导管口出来的主要是被液体挤出的空气。

实验前后称一称，二氧化锰仍是 1.00 g，化学性质也没有变，还能让新加入的过氧化氢继续分解。分液漏斗的活塞控制滴加速率，也就控制了产生氧气的快慢。

二氧化锰是催化剂：它加快过氧化氢的分解，本身的质量和化学性质在反应前后都不变。

过氧化氢 / 验满与检验

验满在瓶口，检验伸入瓶中。

氧气密度比空气略大，可以用向上排空气法收集：集气瓶正放，导管伸到接近瓶底。氧气从瓶底铺起，把空气从瓶口赶出去，所以瓶口是最后被氧气占满的地方。

验满回答“满了没有”：把带火星的木条放在瓶口，不伸进去；木条复燃，说明连瓶口都是氧气了。检验回答“是不是氧气”：把带火星的木条伸入瓶中；木条复燃，证明瓶里是氧气。

本页模型里，收集到一半（第 25 秒）时瓶口氧气约 61.0%，瓶内平均约 71.6%；收集 40 秒后，瓶口约 91.7%，瓶内约 94.5%。瓶口总比瓶内低，所以验满要看瓶口。带火星的木条需要多少氧气才复燃，本页没有找到可靠来源，画面中火焰的大小只按瓶口或瓶内的氧气含量示意。

也可以用排水法收集（第一个实验已演示）：瓶口有气泡向外冒出，说明已经集满。排水法收集的氧气比较纯，向上排空气法收集的氧气比较干燥。

验满：带火星的木条放在瓶口。检验：带火星的木条伸入瓶中。前者看满没满，后者看是什么气体。

二氧化碳 / 为什么选大理石和稀盐酸

块状大理石配稀盐酸，产气平稳又持续。

实验室用大理石或石灰石（主要成分是碳酸钙）与稀盐酸反应制取二氧化碳：CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑。本页模型里，30 mL 稀盐酸倒完时产气约 11.1 mL/s；收集 60 秒后共放出约 477 mL 二氧化碳，瓶内二氧化碳约 93.5%。

换成稀硫酸，生成的硫酸钙微溶于水，覆盖在大理石表面，把酸和大理石隔开。本页模型里，收集结束时产气只剩约 0.5 mL/s，一共只放出约 109 mL，瓶内二氧化碳约 20.7%，瓶口约 7.7%。

换成碳酸钠粉末，粉末一碰到酸就剧烈反应，最快时产气约 124 mL/s。到第 10 秒把导管伸进集气瓶时，约 95% 的二氧化碳已经跑掉，收集结束时瓶口二氧化碳只有约 4.0%。

反应速率适中、便于控制和收集：块状大理石或石灰石 + 稀盐酸。不用稀硫酸，也不用碳酸钠粉末。

二氧化碳 / 长颈漏斗为什么要液封

长颈漏斗的下端，必须伸到液面以下。

长颈漏斗没有活塞，不能控制加酸的快慢。它的下端要插到锥形瓶的液面以下，叫作液封；否则生成的气体会从漏斗里跑掉。

液封也像一个压力计：导管里的气流越快，瓶内压强越大，漏斗颈里的液柱被压得越高。本页按导管里的层流估算，盐酸档的液柱最高约 2 mm，碳酸钠粉末档最高约 15 mm。

二氧化碳能溶于水，密度比空气大，所以用向上排空气法收集，一般不用排水法。

二氧化碳 / 验满与检验

燃着的木条放在瓶口验满，澄清石灰水证明是二氧化碳。

验满：把燃着的木条放在集气瓶口，木条熄灭，说明瓶口已经充满二氧化碳。本页假设火焰处二氧化碳达到 25% 就熄灭，这是教学假设，没有找到可靠来源。盐酸档收集 60 秒后瓶口约 91.0%，木条熄灭；稀硫酸档瓶口只有约 7.7%，木条照样燃烧。

木条熄灭只说明气体不支持燃烧，氮气也能让木条熄灭。检验是不是二氧化碳，要把气体通入澄清石灰水：CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O，石灰水变浑浊。10 mL 饱和石灰水约 5.6 mL 二氧化碳就能全部变浑浊；继续通入，碳酸钙变成可溶的碳酸氢钙，石灰水又会变清。

验满：燃着的木条放在瓶口。检验：通入澄清石灰水。前者看满没满，后者看是什么气体。

二氧化碳 / 为什么选大理石和稀盐酸

块状大理石配稀盐酸，产气平稳又持续。

实验室用大理石或石灰石（主要成分是碳酸钙）与稀盐酸反应制取二氧化碳：CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑。本页模型里，30 mL 稀盐酸倒完时产气约 11.1 mL/s；收集 60 秒后共放出约 477 mL 二氧化碳，瓶内二氧化碳约 93.5%。

换成稀硫酸，生成的硫酸钙微溶于水，覆盖在大理石表面，把酸和大理石隔开。本页模型里，收集结束时产气只剩约 0.5 mL/s，一共只放出约 109 mL，瓶内二氧化碳约 20.7%，瓶口约 7.7%。

换成碳酸钠粉末，粉末一碰到酸就剧烈反应，最快时产气约 124 mL/s。到第 10 秒把导管伸进集气瓶时，约 95% 的二氧化碳已经跑掉，收集结束时瓶口二氧化碳只有约 4.0%。

反应速率适中、便于控制和收集：块状大理石或石灰石 + 稀盐酸。不用稀硫酸，也不用碳酸钠粉末。

二氧化碳 / 长颈漏斗为什么要液封

长颈漏斗的下端，必须伸到液面以下。

长颈漏斗没有活塞，不能控制加酸的快慢。它的下端要插到锥形瓶的液面以下，叫作液封；否则生成的气体会从漏斗里跑掉。

液封也像一个压力计：导管里的气流越快，瓶内压强越大，漏斗颈里的液柱被压得越高。本页按导管里的层流估算，盐酸档的液柱最高约 2 mm，碳酸钠粉末档最高约 15 mm。

二氧化碳能溶于水，密度比空气大，所以用向上排空气法收集，一般不用排水法。

二氧化碳 / 验满与检验

燃着的木条放在瓶口验满，澄清石灰水证明是二氧化碳。

验满：把燃着的木条放在集气瓶口，木条熄灭，说明瓶口已经充满二氧化碳。本页假设火焰处二氧化碳达到 25% 就熄灭，这是教学假设，没有找到可靠来源。盐酸档收集 60 秒后瓶口约 91.0%，木条熄灭；稀硫酸档瓶口只有约 7.7%，木条照样燃烧。

木条熄灭只说明气体不支持燃烧，氮气也能让木条熄灭。检验是不是二氧化碳，要把气体通入澄清石灰水：CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O，石灰水变浑浊。10 mL 饱和石灰水约 5.6 mL 二氧化碳就能全部变浑浊；继续通入，碳酸钙变成可溶的碳酸氢钙，石灰水又会变清。

验满：燃着的木条放在瓶口。检验：通入澄清石灰水。前者看满没满，后者看是什么气体。

木炭 / 为什么要缓慢伸入

插得太快，热气会把氧气挤出瓶口。

红热的木炭一进氧气就剧烈燃烧，放出大量的热。瓶口是敞开的，气体受热膨胀，多出来的部分只能从瓶口溢出，最先出去的是最上面的气体。

缓慢伸入时，木炭先烧上层的氧气，再一层层往下，被挤出瓶口的多半是已经烧过、含二氧化碳的热气体。快速插到底时，木炭在瓶底放热，热气向上翻滚，把上部还没用上的氧气推出瓶外。

本页模型里，缓慢伸入（15 秒伸到瓶底附近）时，约 166 mL 氧气与木炭反应，约 44 mL 氧气被挤出瓶外；快速插到底时，只有约 147 mL 反应，约 63 mL 被挤出。

由上而下缓慢伸入，木炭能依次接触各层氧气，燃烧更充分、持续更久，现象更明显。

木炭 / 燃烧生成了什么

澄清石灰水变浑浊，说明生成了二氧化碳。

木炭的主要成分是碳。碳在氧气中充分燃烧生成二氧化碳。二氧化碳与石灰水中的氢氧化钙反应，生成不溶于水的碳酸钙，石灰水因此变浑浊。

氢氧化钙微溶于水，10 mL 饱和石灰水只含约 0.233 mmol 氢氧化钙，约 5.6 mL 二氧化碳就能让它全部反应。两种伸入方式生成的二氧化碳都在 140 mL 以上，石灰水都会变浑浊。

石灰水能证明生成了二氧化碳，却分辨不出两种伸入方式；要比较它们，看与木炭反应的氧气有多少。

铁丝 / 为什么等火柴快燃尽

火柴烧得正旺，就是在和铁丝抢氧气。

火柴的作用是引燃铁丝。火柴梗是木材，可以近似看作纤维素，燃烧时同样消耗氧气。火柴还在猛烧时伸进瓶里，它会在瓶里接着烧，把氧气换成二氧化碳。

本页模型里，瓶内有 225 mL 气体。火柴快燃尽时伸入，剩下的火柴只消耗约 7.1 mL 氧气，铁丝烧完时瓶内氧气仍约 95.3%。火柴正旺时伸入，火柴在瓶里要消耗约 53.4 mL 氧气，是铁丝本身耗氧（约 25.0 mL）的两倍多，瓶内氧气降到约 72.2%。

铁丝要多高的氧气浓度才能持续燃烧，本页没有找到可靠来源，所以不下结论；画面中火星的多少和燃烧点的亮度只按瓶内氧气含量示意。

等火柴快燃尽再伸入：火柴已经把铁丝引燃，又不再消耗瓶里的氧气。

铁丝 / 瓶底为什么放水或细沙

落下来的熔融物，温度在一千五百摄氏度以上。

铁丝在氧气中剧烈燃烧，火星四射，放出大量的热，生成黑色固体四氧化三铁：3Fe + 2O₂ =点燃= Fe₃O₄。铁丝在空气中只会烧红，不能这样燃烧。

燃烧点的铁和生成物熔化成小球落下。铁的熔点是 1538 °C，四氧化三铁约 1597 °C，熔化的小球至少有这么热。本页模型里，约 87.1 mg 铁丝烧完，生成约 120.4 mg 四氧化三铁，放出约 583 J 的热。

高温熔融物直接落在玻璃瓶底，瓶底局部骤热，会炸裂。瓶底预先放少量水或铺一层细沙，熔融物先落进水或沙里。本页把这层水作为固定的安全设置画出来，不演示炸裂。

铁丝绕成螺旋，燃烧容易持续；伸入时由上而下缓慢伸入，不要碰到瓶壁。

二氧化碳的性质 / 倒进烧杯的二氧化碳

蜡烛由下而上，依次熄灭。

把一瓶二氧化碳沿烧杯壁慢慢倒进去，阶梯上的三支蜡烛从最低的一支开始依次熄灭。二氧化碳比空气重，先沉到杯底，再一层层往上铺；它本身不燃烧，也不支持燃烧。

本页把烧杯里的气体分成 12 层，二氧化碳从杯底进入，多出来的空气从杯口溢出；火焰处二氧化碳达到 25% 时熄灭（教学假设）。缓慢倾倒时，三支蜡烛在第 0.9、1.8、2.7 秒依次熄灭；猛地倒下时，气流卷进空气、把整杯搅匀，三支蜡烛在第 0.2、0.3、0.5 秒几乎同时熄灭，看不出先后。

这个实验同时说明两件事：二氧化碳密度比空气大；它不燃烧，也不支持燃烧。所以二氧化碳可以用来灭火。

二氧化碳的性质 / 软塑料瓶为什么变瘪

二氧化碳溶进水里，瓶里的气体变少了。

向装满二氧化碳的软塑料瓶里倒入约三分之一瓶水，立即旋紧瓶盖振荡，瓶子变瘪。二氧化碳溶于水，瓶内气体减少，压强小于外面的大气压，大气把瓶子压瘪。

本页用亨利定律计算：20 °C 时 1 体积水约能溶解 0.92 体积二氧化碳。振荡 20 秒后，约 138 mL 二氧化碳溶进 180 mL 水里，瓶内比外界低约 6.2 kPa，瓶子缩小约 23%。瘪进去多少还取决于瓶壁软硬，本页假设每差 1 kPa 瘪进 20 mL。

二氧化碳能溶于水。

二氧化碳的性质 / 紫色石蕊为什么变红又变紫

二氧化碳和水生成碳酸，碳酸受热又分解。

把二氧化碳通入紫色石蕊溶液，溶液变红：CO₂ + H₂O = H₂CO₃，碳酸使石蕊变红。加热这支试管，溶液又变回紫色：H₂CO₃ =△= H₂O + CO₂↑，碳酸不稳定，受热分解，二氧化碳逸出。

本页按碳酸的一级电离估算 pH。通入 15 秒后 pH 约 4.3，溶液变红；加热 40 秒后 pH 回到约 6.0，溶液恢复紫色。石蕊的颜色按 pH 示意：4.5 以下为红，5.8 到 7.5 为紫。

使石蕊变红的是碳酸，不是二氧化碳。把干燥的紫色石蕊纸花放进二氧化碳里，它不变色。

二氧化碳能与水反应生成碳酸；碳酸不稳定，受热容易分解。

二氧化碳的性质 / 倒进烧杯的二氧化碳

蜡烛由下而上，依次熄灭。

把一瓶二氧化碳沿烧杯壁慢慢倒进去，阶梯上的三支蜡烛从最低的一支开始依次熄灭。二氧化碳比空气重，先沉到杯底，再一层层往上铺；它本身不燃烧，也不支持燃烧。

本页把烧杯里的气体分成 12 层，二氧化碳从杯底进入，多出来的空气从杯口溢出；火焰处二氧化碳达到 25% 时熄灭（教学假设）。缓慢倾倒时，三支蜡烛在第 0.9、1.8、2.7 秒依次熄灭；猛地倒下时，气流卷进空气、把整杯搅匀，三支蜡烛在第 0.2、0.3、0.5 秒几乎同时熄灭，看不出先后。

这个实验同时说明两件事：二氧化碳密度比空气大；它不燃烧，也不支持燃烧。所以二氧化碳可以用来灭火。

二氧化碳的性质 / 软塑料瓶为什么变瘪

二氧化碳溶进水里，瓶里的气体变少了。

向装满二氧化碳的软塑料瓶里倒入约三分之一瓶水，立即旋紧瓶盖振荡，瓶子变瘪。二氧化碳溶于水，瓶内气体减少，压强小于外面的大气压，大气把瓶子压瘪。

本页用亨利定律计算：20 °C 时 1 体积水约能溶解 0.92 体积二氧化碳。振荡 20 秒后，约 138 mL 二氧化碳溶进 180 mL 水里，瓶内比外界低约 6.2 kPa，瓶子缩小约 23%。瘪进去多少还取决于瓶壁软硬，本页假设每差 1 kPa 瘪进 20 mL。

二氧化碳能溶于水。

二氧化碳的性质 / 紫色石蕊为什么变红又变紫

二氧化碳和水生成碳酸，碳酸受热又分解。

把二氧化碳通入紫色石蕊溶液，溶液变红：CO₂ + H₂O = H₂CO₃，碳酸使石蕊变红。加热这支试管，溶液又变回紫色：H₂CO₃ =△= H₂O + CO₂↑，碳酸不稳定，受热分解，二氧化碳逸出。

本页按碳酸的一级电离估算 pH。通入 15 秒后 pH 约 4.3，溶液变红；加热 40 秒后 pH 回到约 6.0，溶液恢复紫色。石蕊的颜色按 pH 示意：4.5 以下为红，5.8 到 7.5 为紫。

使石蕊变红的是碳酸，不是二氧化碳。把干燥的紫色石蕊纸花放进二氧化碳里，它不变色。

二氧化碳能与水反应生成碳酸；碳酸不稳定，受热容易分解。

想一想

换个问题，你能解释吗？

检查气密性时，松手后导管里为什么会回升一段水柱？

手握时管内空气受热膨胀，一部分从导管冒出。松手后剩下的空气冷却收缩，管内压强小于外界，水被压进导管。本页模型算出水柱约 48 mm。装置漏气就看不到这段水柱。

集满后为什么要在水下盖好玻璃片，再把集气瓶正放在桌上？

在水下盖玻璃片，空气进不去。氧气密度比空气略大，正放时不容易逸出。

如果实验结束时先熄灭酒精灯，会发生什么？

试管冷却，管内气体收缩，水槽里的水沿导管倒吸进热的试管，试管可能炸裂。本页不演示这个后果，只在提示中说明。

为什么一般不用排水法收集二氧化碳？

二氧化碳能溶于水，还能和水反应，排水法会损失一部分。它比空气重，用向上排空气法收集。

燃着的木条在瓶口熄灭，能证明瓶里是二氧化碳吗？

不能。氮气等不支持燃烧的气体也能让木条熄灭。证明是二氧化碳要用澄清石灰水。

为什么二氧化碳能用来灭火？

二氧化碳不燃烧也不支持燃烧，密度又比空气大，能覆盖在燃烧物表面，把空气隔开。

为什么一般不用排水法收集二氧化碳？

二氧化碳能溶于水，还能和水反应，排水法会损失一部分。它比空气重，用向上排空气法收集。

燃着的木条在瓶口熄灭，能证明瓶里是二氧化碳吗？

不能。氮气等不支持燃烧的气体也能让木条熄灭。证明是二氧化碳要用澄清石灰水。

为什么二氧化碳能用来灭火？

二氧化碳不燃烧也不支持燃烧，密度又比空气大，能覆盖在燃烧物表面，把空气隔开。

模型与来源

模型与来源

高锰酸钾实验把试管和导管里的气体当作充分混合：每一刻冒出的气体成分，等于管里气体的平均成分。装置内压强始终约等于大气压，气体量都折算成 20 °C、1 atm 下的体积。

  • 2KMnO₄ =△= K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑
  • 管内气体温度 T(t) = T₀ + (T_h − T₀)(1 − e^(−t/τ))
  • 导管出气速率 F = g − dn/dt（g 为产氧速率，n 为管内气体量）
  • 出气中氧气含量 y = n_O₂ / n，dn_O₂/dt = g − F·y
  • 开始收集：预热结束，且 y 达到所选时机（95% 或 21%）

高锰酸钾的摩尔质量 158.03 g/mol、晶体密度 2.7 g/cm³ 取自 PubChem，约 240 °C 开始分解也来自 PubChem 汇总的 HSDB；摩尔气体常数与标准大气压取自 NIST。药品 6 g、装置内气体 36 mL、集气瓶 125 mL、产氧速率 4 mL/s、管内平均温度 147 °C、点灯 20 s 后开始分解，都是教学假设。

未模拟：分解速率随温度的变化、管内的温度与成分分层、氧气在水中的溶解和水蒸气、错误操作的后果。读数来自模型计算，不是传感器数据；水的浅蓝色是为了看得见而加的着色。

过氧化氢实验把分液漏斗滴下的溶液当作立即落进锥形瓶，瓶中的过氧化氢按一级反应分解。锥形瓶上部的气体充分混合；集气瓶分成上下三层，每层各自混合，气体从瓶底进入，多余的从瓶口溢出。

  • 2H₂O₂ =MnO₂= 2H₂O + O₂↑
  • 瓶中未分解的过氧化氢 dH/dt = a − k·H，产氧速率 g = k·H（a 为滴加带入的量，有、无二氧化锰时 k 不同）
  • 导管出气 F = g + q（q 为滴加速率：滴入的液体挤出同体积的气体）
  • 锥形瓶出气中氧气含量 y = n_O₂ / n，dn_O₂/dt = g − F·y
  • 集气瓶第 i 层 dx_i/dt = (3F / V_瓶)(x_(i−1) − x_i)，x_0 = y，瓶口为最上一层

过氧化氢摩尔质量 34.015 g/mol 与氧气摩尔质量 31.999 g/mol 取自 PubChem；氧气比空气（平均约 29 g/mol）重，所以同温同压下密度略大。5% 溶液密度 1.017 g/mL 由维基百科表中 3% 与 27% 两个密度线性插值得到。摩尔气体常数与标准大气压取自 NIST。过氧化氢分解可按一级反应处理，参考 OpenStax 例题；无催化剂时的速率常数取该例题的 0.116 h⁻¹，作为偏大的上限。溶液 30 mL、滴加 0.5 mL/s、二氧化锰 1 g、有催化剂时 k = 0.5 s⁻¹、锥形瓶内气体 115 mL、集气瓶 125 mL、分三层、滴加 5 秒后开始收集、收集 40 秒，都是教学假设。

未模拟：反应放热、水蒸气、氧气溶在溶液里、二氧化锰颗粒大小对速率的影响、瓶内真实的气流与扩散。集气瓶里蓝色的深浅、液体的颜色和液滴的数目都是为了看得见而画的示意。

二氧化碳制取实验沿用过氧化氢实验的三段结构：长颈漏斗加入的酸立即落进锥形瓶，酸在固体表面反应生成二氧化碳；锥形瓶上部的气体充分混合；集气瓶分成上下三层，每层各自混合，气体从瓶底进入，多余的从瓶口溢出。

  • CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑
  • CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + H₂O + CO₂↑
  • Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂↑
  • 产气速率 r = k·A·s·f（A 为瓶中剩余的酸；稀硫酸 s = e^(−ξ/ξ₀)，ξ 为已反应量；碳酸钠粉末 f 为剩余粉末的比例）
  • 导管出气 F = g + q，出气中 CO₂ 含量 y：dn_CO₂/dt = g − F·y（g 为产气速率，q 为加酸速率）
  • 漏斗颈液柱 h = 8μL·F / (πr⁴·ρg)（导管层流阻力）
  • CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O；CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂

碳酸钙、碳酸钠、氢氧化钙的摩尔质量与氢氧化钙溶解度 1.73 g/L 取自 PubChem；二氧化碳黏度约 14.7 μPa·s 取自 NIST WebBook；摩尔气体常数与标准大气压取自 NIST。稀盐酸 2 mol/L、稀硫酸 1 mol/L、各 30 mL、5 秒倒完，大理石 10 g、碳酸钠 3 g，速率常数与覆盖常数，锥形瓶内气体 165 mL、集气瓶 125 mL、分三层，第 10 秒开始收集、收集 60 秒，石灰水吸收 35% 通入的二氧化碳，熄灭阈值 25%，都是教学假设。

未模拟：反应放热、盐酸挥发出的氯化氢、大理石逐渐变小、泡沫溢出、气流在瓶内的真实流动与扩散、湍流时更高的漏斗液柱。集气瓶里灰白色的深浅、液体的颜色都是为了看得见而画的示意；读数来自模型计算，不是传感器数据。

二氧化碳制取实验沿用过氧化氢实验的三段结构：长颈漏斗加入的酸立即落进锥形瓶，酸在固体表面反应生成二氧化碳；锥形瓶上部的气体充分混合；集气瓶分成上下三层，每层各自混合，气体从瓶底进入，多余的从瓶口溢出。

  • CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑
  • CaCO₃ + H₂SO₄ = CaSO₄ + H₂O + CO₂↑
  • Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂O + CO₂↑
  • 产气速率 r = k·A·s·f（A 为瓶中剩余的酸；稀硫酸 s = e^(−ξ/ξ₀)，ξ 为已反应量；碳酸钠粉末 f 为剩余粉末的比例）
  • 导管出气 F = g + q，出气中 CO₂ 含量 y：dn_CO₂/dt = g − F·y（g 为产气速率，q 为加酸速率）
  • 漏斗颈液柱 h = 8μL·F / (πr⁴·ρg)（导管层流阻力）
  • CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O；CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂

碳酸钙、碳酸钠、氢氧化钙的摩尔质量与氢氧化钙溶解度 1.73 g/L 取自 PubChem；二氧化碳黏度约 14.7 μPa·s 取自 NIST WebBook；摩尔气体常数与标准大气压取自 NIST。稀盐酸 2 mol/L、稀硫酸 1 mol/L、各 30 mL、5 秒倒完，大理石 10 g、碳酸钠 3 g，速率常数与覆盖常数，锥形瓶内气体 165 mL、集气瓶 125 mL、分三层，第 10 秒开始收集、收集 60 秒，石灰水吸收 35% 通入的二氧化碳，熄灭阈值 25%，都是教学假设。

未模拟：反应放热、盐酸挥发出的氯化氢、大理石逐渐变小、泡沫溢出、气流在瓶内的真实流动与扩散、湍流时更高的漏斗液柱。集气瓶里灰白色的深浅、液体的颜色都是为了看得见而画的示意；读数来自模型计算，不是传感器数据。

木炭实验把集气瓶里的气体从下到上分成 20 层。木炭只和它周围约 1 cm 厚的气体反应，速率与这层气体中的氧气含量成正比。C + O₂ → CO₂ 消耗 1 份氧气、生成 1 份二氧化碳，反应本身不改变气体总量。

燃烧放出的热有一部分加热木炭周围的气体。瓶口敞开，压强保持约 1 atm，受热膨胀多出来的气体从瓶口溢出，先走最上层；气体冷却收缩时，空气从瓶口补进来。热气体在下、冷气体在上时会对流翻滚，混合很快；热在上、冷在下时分层稳定，只缓慢扩散。木炭周围的氧气降到空气水平（21%）以下，就算燃烧结束。

  • C + O₂ =点燃= CO₂（1 份 O₂ 换 1 份 CO₂）
  • 耗氧速率 r = r_max · x（x 为木炭周围气体中 O₂ 的含量）
  • 每层体积 v = m·T/T₀；各层体积之和超过瓶容积的部分从瓶口溢出
  • 每消耗 1 mL O₂，气体获得 η·393.51 kJ/mol ÷ 24.06 L/mol ≈ 0.98 J（η = 6%）
  • CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O
  • 10 mL 饱和石灰水：1.73 g/L × 10 mL ÷ 74.09 g/mol ≈ 0.233 mmol Ca(OH)₂

二氧化碳的标准生成焓 −393.51 kJ/mol 取自 NIST WebBook；氢氧化钙在 20 °C 的溶解度 1730 mg/L 取自 PubChem 汇总的 HSDB，氢氧化钙与碳酸钙的摩尔质量取自 PubChem；氧气热容按 NIST WebBook 的数据取 29.4 J/(mol·K)。250 mL 纯氧、伸入深度 85 mm、纯氧中耗氧速率 8 mL/s、6% 的燃烧热加热气体、散热时间常数 5 s、对流与扩散系数、10 mL 石灰水，都是教学假设。

未模拟：木炭温度与大小的变化、火焰的真实形状与辐射、瓶壁温度、取出木炭后瓶内的冷却、过量二氧化碳使碳酸钙变成碳酸氢钙而重新变清。画面亮度与蓝色分层只作示意，氧气本身无色；读数来自模型计算，不是传感器数据。

铁丝燃烧实验把瓶内气体当作充分混合，瓶口与外界不换气。火柴梗按纤维素计算耗氧，生成的水蒸气冷凝；铁丝的螺旋段从下往上匀速烧完。

  • 3Fe + 2O₂ =点燃= Fe₃O₄
  • C₆H₁₀O₅ + 6O₂ → 6CO₂ + 5H₂O：每克木材约耗氧 890 mL
  • 瓶内氧气含量 x = (V_O₂,0 − V_火柴 − V_铁) / (V_气 − V_铁)
  • 火星示意强度 k = (x − 21%) / 79%，只是示意，不是实验规律

铁的摩尔质量 55.84 g/mol、密度 7.874 g/cm³、熔点 1538 °C 以及 C、H、O 的原子量取自 PubChem 周期表；四氧化三铁的摩尔质量 231.53 g/mol 和熔点 1597 °C 取自 PubChem；它的标准生成焓 −1120.89 kJ/mol 取自 NIST Chemistry WebBook。集气瓶 250 mL、瓶底的水 25 mL、瓶内氧气 99%、铁丝直径 0.3 mm、螺旋 7 圈、火柴梗 0.08 g、火柴在空气中 20 s 烧完、在瓶中每秒烧 0.02 g、铁丝 6 s 烧完，都是教学假设。

未模拟：铁丝燃烧快慢与氧气浓度的关系、熔融物里没烧完的铁、二氧化碳溶于水、瓶口与外界的气体交换、放热使瓶内气体膨胀。铁丝画成约 1.2 mm 粗是为了看得见；水的浅蓝色是可读性着色。

性质实验由三个独立的小模型组成。烧杯里的气体分 12 层串联混合：倒入的二氧化碳从杯底进入，相邻层之间再按交换速率混合。软塑料瓶里，溶解的二氧化碳按亨利定律趋向平衡，瓶内气体服从理想气体定律，瓶壁按柔度变形。石蕊溶液里，二氧化碳通气时趋向饱和、加热时逸出，pH 由碳酸一级电离求得。

  • CO₂ + H₂O = H₂CO₃
  • H₂CO₃ =△= H₂O + CO₂↑
  • 烧杯第 i 层 dx_i/dt = (Q·N/V)(x_(i−1) − x_i) + k_x(x_(i+1) − 2x_i + x_(i−1))，x_0 为倒入气体的 CO₂ 含量
  • 溶解 dn/dt = k_s(H·p_CO₂·V_水 − n)，H = 3.3×10⁻⁴ mol/(m³·Pa)·e^(2400(1/T − 1/298.15))
  • 瓶内 p·V = n·R·T，V = V₀ − C(p₀ − p)（C 为瓶壁柔度）
  • [H⁺] = √(K_a1·c + K_w)，pK_a1 = 6.35

二氧化碳的亨利常数与温度系数取自 Sander 的汇编（2015）；碳酸的 pKa1 = 6.35 与石蕊的变色范围 pH 4.5–8.3 取自维基百科。500 mL 集气瓶里 95% 的二氧化碳、倒出九成、烧杯内气体 380 mL、分 12 层，慢倒 6 秒卷入两成空气、猛倒 1.5 秒卷入等量空气，软塑料瓶 530 mL、水 180 mL、瓶壁柔度 20 mL/kPa、振荡时的溶解速率，石蕊通气吸收与加热逸出的速率，熄灭阈值 25%，石蕊颜色与 pH 的对应，都是教学假设。

未模拟：蜡烛火焰的热气流与耗氧、瓶内水温的变化、石蕊本身的缓冲作用、高温下电离常数的变化、溶液冷却后重新吸收空气中的二氧化碳。烧杯与集气瓶里灰白色的深浅是为了看得见而画的示意。

性质实验由三个独立的小模型组成。烧杯里的气体分 12 层串联混合：倒入的二氧化碳从杯底进入，相邻层之间再按交换速率混合。软塑料瓶里，溶解的二氧化碳按亨利定律趋向平衡，瓶内气体服从理想气体定律，瓶壁按柔度变形。石蕊溶液里，二氧化碳通气时趋向饱和、加热时逸出，pH 由碳酸一级电离求得。

  • CO₂ + H₂O = H₂CO₃
  • H₂CO₃ =△= H₂O + CO₂↑
  • 烧杯第 i 层 dx_i/dt = (Q·N/V)(x_(i−1) − x_i) + k_x(x_(i+1) − 2x_i + x_(i−1))，x_0 为倒入气体的 CO₂ 含量
  • 溶解 dn/dt = k_s(H·p_CO₂·V_水 − n)，H = 3.3×10⁻⁴ mol/(m³·Pa)·e^(2400(1/T − 1/298.15))
  • 瓶内 p·V = n·R·T，V = V₀ − C(p₀ − p)（C 为瓶壁柔度）
  • [H⁺] = √(K_a1·c + K_w)，pK_a1 = 6.35

二氧化碳的亨利常数与温度系数取自 Sander 的汇编（2015）；碳酸的 pKa1 = 6.35 与石蕊的变色范围 pH 4.5–8.3 取自维基百科。500 mL 集气瓶里 95% 的二氧化碳、倒出九成、烧杯内气体 380 mL、分 12 层，慢倒 6 秒卷入两成空气、猛倒 1.5 秒卷入等量空气，软塑料瓶 530 mL、水 180 mL、瓶壁柔度 20 mL/kPa、振荡时的溶解速率，石蕊通气吸收与加热逸出的速率，熄灭阈值 25%，石蕊颜色与 pH 的对应，都是教学假设。

未模拟：蜡烛火焰的热气流与耗氧、瓶内水温的变化、石蕊本身的缓冲作用、高温下电离常数的变化、溶液冷却后重新吸收空气中的二氧化碳。烧杯与集气瓶里灰白色的深浅是为了看得见而画的示意。

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