【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計(jì)算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。??

第三章、碳和碳的簡(jiǎn)單化合物??

§3-4二氧化碳

【01】二氧化碳是和一切動(dòng)植物生活密切有關(guān)的氣體。人以及其他動(dòng)物呼出的氣體里含有多量的二氧化碳；煤炭、木材、汽油、煤油以及天然氣等燃料燃燒時(shí)都有二氧化碳生成；動(dòng)植物腐爛時(shí)也有二氧化碳產(chǎn)生。但在另一方面，二氧化碳又是一切綠色植物不可缺少的養(yǎng)料。在日光下，綠色植物吸收了空氣里的二氧化碳，經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)變化，最后轉(zhuǎn)變成為它們的體質(zhì)。由于這樣的原因，大氣里二氧化碳的含量基本上保持不變（§2-1）。

二氧化碳的物理性質(zhì)

【02】二氧化碳是一種無色的氣體，比空氣重（大約是相同體積空氣重的1.5倍），我們可以象倒水一樣地把它從一個(gè)容器里傾倒到另一個(gè)容器里。

【03】二氧化碳比氧氣或氫氣容易溶解于水。在平常狀況下，1體積水能夠溶解1體積二氧化碳。如果增加壓強(qiáng)，水所能溶解的二氧化碳還將更多。平常我們用作清涼飲料的汽水，就是用較高的壓強(qiáng)，把多量的二氧化碳?xì)怏w溶解在飲料里而制成的。當(dāng)我們打開汽水瓶蓋時(shí)，由于瓶中壓強(qiáng)減低，溶解在汽水里的二氧化碳?xì)怏w大部分迅速逸出，因此有許多氣泡冒出。

【04】比起氧氣或氫氣來，二氧化碳就顯得很易液化，在平常溫度下，只要把壓強(qiáng)增加到60個(gè)大氣壓，它就變成無色的液體。液態(tài)二氧化碳平時(shí)貯存在堅(jiān)固的圓形鋼筒里。當(dāng)把液態(tài)二氧化碳從鋼筒里倒出時(shí)，其中一部分迅速蒸發(fā)并吸收大量的熱，使其余部分液態(tài)二氧化碳的溫度急劇下降，最后凝成雪狀的固體。經(jīng)過壓縮后的固態(tài)二氧化碳的外形象冰，稱做“干冰”。

【05】把一筒（一般用鋼筒）液態(tài)二氧化碳，斜置桌上（圖3-4）.在流出口處系上一個(gè)堅(jiān)固的帆布袋，打開活門，讓液態(tài)二氧化碳流出，數(shù)分鐘后，可以看到袋中有雪狀的二氧化碳固體。

【06】“干冰’’是一種比冰更好的致冷劑【致冷劑就是能夠產(chǎn)生低溫的物質(zhì)】。它冷卻的溫度比冰低得多，利用“干冰”，可以產(chǎn)生-780°C的低溫，而且，“干冰”熔化時(shí)，不會(huì)象冰那樣變成液體，它直接蒸發(fā)成為溫度很低的、干燥的二氧化碳?xì)怏w，圍繞于冷藏物品的四周，因此它的冷藏效果特別好?！案杀爆F(xiàn)在用來保藏容易腐爛的食品。

二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)

【07】二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定。

【08】二氧化碳沒有可燃性（和氫氣不同），它不能在空氣或氧氣里燃燒，這是因?yàn)樵诙趸祭?，已?jīng)含有了充分的氧元素，不能再和更多的氧化合的緣故。

【09】二氧化碳一般說來是不能支持物質(zhì)的燃燒的（和氧氣不同），大多數(shù)燃燒著的物質(zhì)不能在二氧化碳?xì)怏w里繼續(xù)燃燒，例如，把燃著的蠟燭，插進(jìn)盛有二氧化碳?xì)怏w的廣口瓶里，蠟燭很快就會(huì)熄滅。

【10】拿兩枝短蠟燭分別放在一個(gè)梯形鐵架的兩層上。把蠟燭點(diǎn)著，然后把鐵架掛在一個(gè)空燒杯里。另取二氧化碳?xì)怏w一瓶，沿著燒杯邊，象倒水一樣地倒進(jìn)燒杯里，可以看到低處的蠟燭先熄滅，然后高處的蠟燭也跟著熄滅（圖3-5）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明了(1)二氧化碳比空氣重，(2)二氧化碳不能維持蠟燭燃燒。

【11】但是，并不是所有物質(zhì)都不能在二氧化碳?xì)怏w里燃燒的。從二氧化碳的分子組成可以看出，在二氧化碳里含有氧元素由于這個(gè)氧元素是和碳元素化合著的，因此它的性質(zhì)和單質(zhì)的氧（即氧氣）不同，它不能支持一般物質(zhì)的燃燒。但如果有一種物質(zhì)，它和氧結(jié)合的能力大大超過碳和氧結(jié)合的能力，它就有可能奪取二氧化碳里的氧，而使碳游離析出，例如，把燃著的鎂條（鎂是一種具有銀白色光澤的很輕的金屬，鎂條在空氣里燃燒時(shí)發(fā)出眩目的亮光。)放進(jìn)二氧化碳?xì)怏w里，鎂條仍舊繼續(xù)燃燒，生成白色的氧化鎂粉末，同時(shí)，還有黑色的碳粒產(chǎn)生。這個(gè)反應(yīng)的化學(xué)方程式是：【山注，B站專欄公式代碼\mathop{2Mg}\limits_{鎂}+CO_2=\mathop{2MgO}\limits_{氧化鎂}+C】

【12】二氧化碳溶解在水里，和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一種酸性的物質(zhì)，叫做碳酸(H2CO3)。這個(gè)反應(yīng)的化學(xué)方程式是：【山注，B站專欄公式代碼\ce{CO2 +H2O=H2CO3}】?碳酸是一種不穩(wěn)定的物質(zhì)，容易分解生成二氧化碳和水.因此，在碳酸的水溶液里，除含有碳酸外總是還有二氧化碳同時(shí)存在。

【13】把二氧化碳?xì)怏w通進(jìn)澄清的石灰水，不久就有白色的沉淀（碳酸鈣，分子式是)析出，這個(gè)反應(yīng)的化學(xué)方程式是：【山注，B站專欄公式代碼CO_2+\mathop{Ca(OH)_2}\limits_{\mathop{氫氧化鈣}\limits_{（“石灰水”）}}=\mathop{CaCO_3↓}\limits_{\mathop{碳酸鈣}\limits_{（白色沉淀）}}+H_2O】這個(gè)反應(yīng)通常是用來檢驗(yàn)二氧化碳的。

【14】我們呼吸時(shí)呼出的氣體里含有多量的二氧化碳，這也可以用石灰水來檢驗(yàn)。用一玻璃管，把我們呼出的氣體吹進(jìn)澄清的石灰水里，石灰水就會(huì)變?yōu)闇啙幔▓D3-6）。

【15】動(dòng)物不能在二氧化碳里生活，這并不是因?yàn)槎趸加卸?，而是因?yàn)樵诙趸祭?，?dòng)物得不到維持呼吸所必須的氧氣，因而窒息而死。在地下室、山洞里，有時(shí)會(huì)因某種原因而積存著大量的二氧化碳?xì)怏w，人們?nèi)绻涣粜倪M(jìn)入那里，由于二氧化碳是無色無嗅的氣體，會(huì)在不知不覺中發(fā)生窒息的危險(xiǎn).因此，在進(jìn)入這些地方的時(shí)候，應(yīng)該先用燃著的蠟燭來試驗(yàn)，如果蠟燭熄滅，說明那里積集有大量二氧化碳?xì)怏w，必須設(shè)法先行通風(fēng)，然后才能進(jìn)去。

二氧化碳的用途

【16】在工業(yè)上，二氧化碳是制造純堿（即碳酸鈉，)、焙用堿（又稱小蘇打，即碳酸氫鈉)、碳酸氫銨(，一種重要的氮肥)等的主要原料。

【17】二氧化碳能夠滅火。常用的二氧化碳滅火器是由一個(gè)鐵制圓筒做成的。圓筒里盛有碳酸鈉()和能夠產(chǎn)生泡沫的“發(fā)泡劑”的水溶液【山注||? 如今這種滅火器被稱為泡沫滅火器。而如今的二氧化碳滅火器特指液態(tài)二氧化碳滅火器，就是鐵罐中承裝的是液態(tài)二氧化碳，優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)留下痕跡，對(duì)重要字畫文件等不會(huì)造成二次破壞】。在圓筒上部，有一個(gè)固定的金屬支架，支架上放有一瓶硫酸或鹽酸，瓶口用一個(gè)鉛蓋蓋住，鐵筒的筒口用蓋蓋緊。筒的上部有一個(gè)噴出口（圖3-7）。

【加入“發(fā)泡劑”的目的，是使滅火器使用時(shí)噴出的二氧化碳?xì)怏w，包圍在無數(shù)穩(wěn)定的、不易破裂的氣泡里，這樣可以減少二氧化碳的擴(kuò)散。因?yàn)槎趸际菤怏w，雖然它比空氣重，但仍然有擴(kuò)散作用，特別在溫度比較高的時(shí)候，擴(kuò)散更快。常用的“發(fā)泡劑”是甘草根的浸出液?！?/p>

【18】使用滅火器時(shí)，只要把滅火器顛倒過來，盛酸玻璃瓶的鉛蓋自動(dòng)落下，酸從瓶中倒出和筒內(nèi)碳酸鈉溶液發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w：【山注，B站專欄公式代碼\Na_2CO_3+H_2SO_4=Na_2SO_4+H_2O+CO_2↑】由于氣體的壓力，含有大量二氧化碳?xì)怏w的泡沫就從噴出口噴射出來。

【19】某些物質(zhì)（例如石油、煤油、汽油等）著火的時(shí)候，是不能用水來撲救的，因?yàn)檫@些物質(zhì)比水輕，它們能夠浮在水面上繼續(xù)燃燒，并且會(huì)跟隨著水向四處流動(dòng)，使燃燒的范圍更加擴(kuò)大，但如果使用二氧化碳滅火器，噴射出來大量的二氧化碳泡沫比汽油等油類更輕，能浮在燃著的油液上面，把燃燒物和空氣完全隔絕起來。這樣，燃燒物將因得不到空氣而熄滅。

山箋||? 滅火器小記

? ? ? ? 目前市面上常見的滅火器分為三大系——二氧化碳系滅火器、水系滅火器（如水霧滅火器）、有機(jī)物滅火器（如鹵代烷滅火器）。此次著重介紹一下二氧化碳系滅火器，該系滅火器又主要分為三大類：

????????干粉滅火器：利用壓縮的二氧化碳或氮?dú)鉃閯?dòng)力，吹出以碳酸氫鈉為主或以磷酸銨為主的干燥、易于流動(dòng)，易于噴射的阻燃粉末，因粉末較輕，因此可以浮在油氣之上，從而隔絕阻燃撲滅油氣類火災(zāi)。

????????二氧化碳滅火器：利用液態(tài)二氧化碳?xì)饣瘯r(shí)能產(chǎn)生阻燃二氧化碳，以及吸收大量熱量的功能進(jìn)行滅火，由于只有二氧化碳參與滅火，滅火結(jié)束后，二氧化碳直接進(jìn)入空氣，不會(huì)對(duì)物品二次破壞。但滅火時(shí)需注意遠(yuǎn)離噴射口，以防凍傷。

????????泡沫滅火器：新式泡沫滅火器不再使用老式中碳酸鈉+硫酸+甘草根浸出液的配方組合，而是采用碳酸氫鈉+硫酸鋁+發(fā)泡劑組合，使用時(shí)噴出含有二氧化碳的水基泡沫，可以撲滅油氣火災(zāi)，但不能用于通電電線處的火災(zāi)，以防短路產(chǎn)生更大的危險(xiǎn)。另外搬運(yùn)泡沫滅火器時(shí)不要橫抱、顛倒以防內(nèi)部藥劑反應(yīng)。（教材此處介紹的二氧化碳滅火器實(shí)際上指的就是如今的泡沫滅火器）。

????????另外非二氧化碳系的滅火器，如鹵代烷滅火器，水霧滅火器等等，此處暫不作詳述。

二氧化碳的制法

【20】前面講過，碳在空氣或純氧里燃燒，可以生成二氧化碳。但是，這樣所得的二氧化碳是不純凈的，里面混雜著許多沒有作用掉的氧氣或其他氣體，要從這種混和氣體里分離出純凈的二氧化碳比較困難，在實(shí)驗(yàn)室里，純凈的二氧化碳是用鹽酸和大理石或石灰石（它們都是含有碳酸鈣的巖石）反應(yīng)而制得，反應(yīng)的化學(xué)方程式是：【山注，B站專欄公式代碼\\mathop{CaCO_3}\limits_{碳酸鈣}+\mathop{2HCl}\limits_{鹽酸}=\mathop{CaCl_2}\limits_{氯化鈣}+H_2O+CO_2↑】這個(gè)反應(yīng)是固體和液體相接觸，并在平常溫度下就能進(jìn)行，因此可以利用啟普發(fā)生器來產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w。

【21】二氧化碳能夠溶解于水，因此收集二氧化碳?xì)怏w時(shí)，不能采用排水集氣法，而必須采用排氣集氣法，二氧化碳比空氣重，集氣時(shí)瓶口應(yīng)該向上，導(dǎo)氣管向下，并要一直通到接近集氣瓶的瓶底處，這樣集氣的方法，叫做下方排氣法(圖3-8)。

【22】二氧化碳是無色氣體，瓶中氣體是否已集滿，不能直接看出，可以用一根燃著的小木片放在瓶口，如果火焰熄滅，說明瓶里二氧化碳?xì)怏w已經(jīng)集滿。

【23】集滿二氧化碳?xì)怏w的集氣瓶，應(yīng)該瓶口向上，正放在桌上，并在瓶口用玻璃片或厚紙蓋住。利用上面的方法制取二氧化碳雖然比較方便，但所用的鹽酸是一種比較貴的工業(yè)原料，因此，這個(gè)方法只是在實(shí)驗(yàn)室里制取少量二氧化碳時(shí)才適用，如果要大量生產(chǎn)二氧化碳，那就不經(jīng)濟(jì)了?，F(xiàn)在工業(yè)上一般都用石灰石加熱分解的方法來制取二氧化碳。這個(gè)問題我們將在下節(jié)里討論。

山箋||? 二氧化碳制法與性質(zhì)小記

（1）實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳方法的探究

【山】生成二氧化碳的方法很多，但是并不是每種方法都適合制取二氧化碳：

【山】①燃燒碳，有氣體氧氣參與反應(yīng)，收集氣體時(shí)會(huì)混入氧氣，不純。

【山】②碳還原氧化銅，可能會(huì)生成一氧化碳，使收集氣體不純。

【山】③碳酸鈉與稀硫酸或稀鹽酸反應(yīng)，反應(yīng)速度過快，不易操作。（碳酸鈉是粉末狀，試驗(yàn)時(shí)與酸液接觸面大，因此實(shí)驗(yàn)速度很快，不易操作，但可以利用反應(yīng)速度極快這個(gè)特性來研制滅火器）

【山】④石灰石與稀硫酸反應(yīng)，反應(yīng)慢且一會(huì)兒就不再反應(yīng)了。（生成物硫酸鈣微溶于水，附著于石灰石表面，從而阻止其與酸液接觸）

【山】⑤石灰石和稀鹽酸反應(yīng)，反應(yīng)速度適中且二氧化碳生成量滿足需求。因此實(shí)驗(yàn)室常選擇石灰石或大理石與稀鹽酸反應(yīng)來制取二氧化碳。

【山】?綜上所述，實(shí)驗(yàn)室常選擇石灰石或大理石與稀鹽酸反應(yīng)來制取二氧化碳。

（2）實(shí)驗(yàn)室收集驗(yàn)證驗(yàn)滿二氧化碳的方法

【山】①收集二氧化碳：二氧化碳是無色無味的氣體，密度比空氣大，易溶于水（常溫常壓下，1體積水可溶解1體積二氧化碳。增大壓強(qiáng)可增強(qiáng)溶解性），因此實(shí)驗(yàn)室收集二氧化碳采用的是向下排空氣法。

【山】②驗(yàn)證二氧化碳：檢驗(yàn)二氧化碳的方法是用澄清石灰水，變渾濁就是二氧化碳。二氧化碳使澄清石灰水變渾濁的本質(zhì)亦是二氧化碳溶于水后形成碳酸，然后與氫氧化鈣酸堿中和生成水和不溶于水的碳酸鈣。

【山】③驗(yàn)滿二氧化碳：二氧化碳不能燃燒亦不支持燃燒（因此可用于滅火），因此驗(yàn)滿二氧化碳的方法是將燃著的木條放到集氣瓶口，熄滅就說明已滿。

?（3）關(guān)于二氧化碳溶于水是化學(xué)變化的驗(yàn)證方法

【山】二氧化碳溶于水的本質(zhì)是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易分解的碳酸。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法是

【山】——濕潤石蕊試紙；

【山】——干燥石蕊試紙放入二氧化碳中；

【山】——濕潤石蕊試紙放入二氧化碳中；

【山】——烘干變色的濕潤石蕊試紙；

【山】——實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，第1、2、4步的石蕊試紙不變色，第3步的石蕊試紙變紅色，這說明二氧化碳溶于水時(shí)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并且產(chǎn)生了能讓紫色石蕊試紙變紅色的酸性新物質(zhì)。

（4）二氧化碳的用途及禁忌

【山】①用途：干冰是固態(tài)的二氧化碳，干冰易升華，會(huì)吸收大量的熱，因此可作制冷劑，用于冷藏保鮮以及運(yùn)輸，亦可用于舞臺(tái)煙霧乃至人工降雨等。?

【山】②禁忌：二氧化碳本身無毒性，但不能供給呼吸。當(dāng)空氣中二氧化碳含量超過1%時(shí)人會(huì)產(chǎn)生頭昏、心悸、氣喘、眩暈等不適癥狀；超過10%時(shí)，人會(huì)神志不清直至停止呼吸。因此人群密集的地方需要注意通風(fēng)換氣。

習(xí)題3-4

1、我們知道碳是可以燃燒的，氧是能夠支持別種物質(zhì)燃燒的。二氧化碳既含有碳元素又含有氧元素，為什么它本身既不能燃燒，又不能支持大多數(shù)物質(zhì)的燃燒？

【山答】燃燒的本質(zhì)是一種劇烈的氧化反應(yīng)，但二氧化碳已經(jīng)是被氧化完的產(chǎn)物，因此很難繼續(xù)氧化，因此既不能燃燒，又不能支持大多數(shù)物質(zhì)的燃燒。

2、有四瓶無色氣體：一瓶是空氣，一瓶是氧氣，一瓶是氫氣，一瓶是二氧化碳，你將用什么方法來識(shí)別它們？

【山答】一根點(diǎn)燃的火柴即可，若燃燒火勢(shì)不發(fā)生明顯變化則是空氣；若劇烈燃燒則是氧氣；若瓶中氣體被點(diǎn)燃則是氫氣，若火柴熄滅則是二氧化碳。

3、當(dāng)打開汽水瓶蓋時(shí)，有許多氣泡冒出，你怎樣證明它是二氧化碳?xì)怏w？

【山答】瓶口放上燃燒的火柴；或者將氣體導(dǎo)入石灰水中。

4、二氧化碳是沒有毒性的，但為什么動(dòng)物在二氧化碳?xì)怏w里很快就會(huì)死亡？

【山答】在二氧化碳里，動(dòng)物得不到維持呼吸所必須的氧氣，因而窒息死亡。

5、什么叫做“干冰”？它有什么用途？

【山答】固體二氧化碳俗稱干冰。干冰可以作為制冷劑制造低溫，從而儲(chǔ)存易腐爛的物品。

6、列表比較氧氣、氫氣和二氧化碳三種氣體的性質(zhì)。

7、敘述二氧化碳滅火器的構(gòu)造、反應(yīng)原理和使用方法。

【山答】二氧化碳滅火器中的主要反應(yīng)物是碳酸鈉和硫酸，內(nèi)圓筒放置硫酸，外圓筒放置碳酸鈉。正常放置時(shí)，內(nèi)外圓筒由鉛蓋阻隔，兩種化學(xué)物質(zhì)并不相遇，也就不會(huì)發(fā)生反應(yīng)。而等到需要使用時(shí)，倒置滅火器，鉛蓋由于重力作用暫時(shí)脫落，就使兩種物質(zhì)相遇，從而反應(yīng)生成大量二氧化碳。而滅火結(jié)束后，重新放正滅火器，則鉛蓋再次因重力作用封住內(nèi)筒口，從而隔絕內(nèi)外筒接觸，以恢復(fù)平靜。

8、收集二氧化碳?xì)怏w和收集氫氣在方法上有什么不同？這和它們的性質(zhì)有什么關(guān)系？

【山答】收集二氧化碳使用向上排氣法，收集氫氣使用向下排水法。這是因?yàn)槎趸既苡谒荒苁褂门潘?；二氧化碳密度大于空氣，必須瓶口向上收集。而氫氣不溶于水，且密度小于空氣，因此?yīng)采用瓶口向下的排水法。

9、在實(shí)驗(yàn)室里制取二氧化碳11克，需用純凈碳酸鈣多少克？【山答】25g。