【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。  

第三章、碳和碳的简单化合物  

§3-4二氧化碳

【01】二氧化碳是和一切动植物生活密切有关的气体。人以及其他动物呼出的气体里含有多量的二氧化碳；煤炭、木材、汽油、煤油以及天然气等燃料燃烧时都有二氧化碳生成；动植物腐烂时也有二氧化碳产生。但在另一方面，二氧化碳又是一切绿色植物不可缺少的养料。在日光下，绿色植物吸收了空气里的二氧化碳，经过复杂的化学变化，最后转变成为它们的体质。由于这样的原因，大气里二氧化碳的含量基本上保持不变（§2-1）。

二氧化碳的物理性质

【02】二氧化碳是一种无色的气体，比空气重（大约是相同体积空气重的1.5倍），我们可以象倒水一样地把它从一个容器里倾倒到另一个容器里。

【03】二氧化碳比氧气或氢气容易溶解于水。在平常状况下，1体积水能够溶解1体积二氧化碳。如果增加压强，水所能溶解的二氧化碳还将更多。平常我们用作清凉饮料的汽水，就是用较高的压强，把多量的二氧化碳气体溶解在饮料里而制成的。当我们打开汽水瓶盖时，由于瓶中压强减低，溶解在汽水里的二氧化碳气体大部分迅速逸出，因此有许多气泡冒出。

【04】比起氧气或氢气来，二氧化碳就显得很易液化，在平常温度下，只要把压强增加到60个大气压，它就变成无色的液体。液态二氧化碳平时贮存在坚固的圆形钢筒里。当把液态二氧化碳从钢筒里倒出时，其中一部分迅速蒸发并吸收大量的热，使其余部分液态二氧化碳的温度急剧下降，最后凝成雪状的固体。经过压缩后的固态二氧化碳的外形象冰，称做“干冰”。

【05】把一筒（一般用钢筒）液态二氧化碳，斜置桌上（图3-4）.在流出口处系上一个坚固的帆布袋，打开活门，让液态二氧化碳流出，数分钟后，可以看到袋中有雪状的二氧化碳固体。

【06】“干冰’’是一种比冰更好的致冷剂【致冷剂就是能够产生低温的物质】。它冷却的温度比冰低得多，利用“干冰”，可以产生-780°C的低温，而且，“干冰”熔化时，不会象冰那样变成液体，它直接蒸发成为温度很低的、干燥的二氧化碳气体，围绕于冷藏物品的四周，因此它的冷藏效果特别好。“干冰”现在用来保藏容易腐烂的食品。

二氧化碳的化学性质

【07】二氧化碳的化学性质比较稳定。

【08】二氧化碳没有可燃性（和氢气不同），它不能在空气或氧气里燃烧，这是因为在二氧化碳里，已经含有了充分的氧元素，不能再和更多的氧化合的缘故。

【09】二氧化碳一般说来是不能支持物质的燃烧的（和氧气不同），大多数燃烧着的物质不能在二氧化碳气体里继续燃烧，例如，把燃着的蜡烛，插进盛有二氧化碳气体的广口瓶里，蜡烛很快就会熄灭。

【10】拿两枝短蜡烛分别放在一个梯形铁架的两层上。把蜡烛点着，然后把铁架挂在一个空烧杯里。另取二氧化碳气体一瓶，沿着烧杯边，象倒水一样地倒进烧杯里，可以看到低处的蜡烛先熄灭，然后高处的蜡烛也跟着熄灭（图3-5）。这个实验说明了(1)二氧化碳比空气重，(2)二氧化碳不能维持蜡烛燃烧。

【11】但是，并不是所有物质都不能在二氧化碳气体里燃烧的。从二氧化碳的分子组成可以看出，在二氧化碳里含有氧元素由于这个氧元素是和碳元素化合着的，因此它的性质和单质的氧（即氧气）不同，它不能支持一般物质的燃烧。但如果有一种物质，它和氧结合的能力大大超过碳和氧结合的能力，它就有可能夺取二氧化碳里的氧，而使碳游离析出，例如，把燃着的镁条（镁是一种具有银白色光泽的很轻的金属，镁条在空气里燃烧时发出眩目的亮光。)放进二氧化碳气体里，镁条仍旧继续燃烧，生成白色的氧化镁粉末，同时，还有黑色的碳粒产生。这个反应的化学方程式是：【山注，B站专栏公式代码\mathop{2Mg}\limits_{镁}+CO_2=\mathop{2MgO}\limits_{氧化镁}+C】

【12】二氧化碳溶解在水里，和水发生化学反应，生成一种酸性的物质，叫做碳酸(H2CO3)。这个反应的化学方程式是：【山注，B站专栏公式代码\ce{CO2 +H2O=H2CO3}】 碳酸是一种不稳定的物质，容易分解生成二氧化碳和水.因此，在碳酸的水溶液里，除含有碳酸外总是还有二氧化碳同时存在。

【13】把二氧化碳气体通进澄清的石灰水，不久就有白色的沉淀（碳酸钙，分子式是)析出，这个反应的化学方程式是：【山注，B站专栏公式代码CO_2+\mathop{Ca(OH)_2}\limits_{\mathop{氢氧化钙}\limits_{（“石灰水”）}}=\mathop{CaCO_3↓}\limits_{\mathop{碳酸钙}\limits_{（白色沉淀）}}+H_2O】这个反应通常是用来检验二氧化碳的。

【14】我们呼吸时呼出的气体里含有多量的二氧化碳，这也可以用石灰水来检验。用一玻璃管，把我们呼出的气体吹进澄清的石灰水里，石灰水就会变为浑浊（图3-6）。

【15】动物不能在二氧化碳里生活，这并不是因为二氧化碳有毒，而是因为在二氧化碳里，动物得不到维持呼吸所必须的氧气，因而窒息而死。在地下室、山洞里，有时会因某种原因而积存着大量的二氧化碳气体，人们如果不留心进入那里，由于二氧化碳是无色无嗅的气体，会在不知不觉中发生窒息的危险.因此，在进入这些地方的时候，应该先用燃着的蜡烛来试验，如果蜡烛熄灭，说明那里积集有大量二氧化碳气体，必须设法先行通风，然后才能进去。

二氧化碳的用途

【16】在工业上，二氧化碳是制造纯碱（即碳酸钠，)、焙用碱（又称小苏打，即碳酸氢钠)、碳酸氢铵(，一种重要的氮肥)等的主要原料。

【17】二氧化碳能够灭火。常用的二氧化碳灭火器是由一个铁制圆筒做成的。圆筒里盛有碳酸钠()和能够产生泡沫的“发泡剂”的水溶液【山注||  如今这种灭火器被称为泡沫灭火器。而如今的二氧化碳灭火器特指液态二氧化碳灭火器，就是铁罐中承装的是液态二氧化碳，优点是不会留下痕迹，对重要字画文件等不会造成二次破坏】。在圆筒上部，有一个固定的金属支架，支架上放有一瓶硫酸或盐酸，瓶口用一个铅盖盖住，铁筒的筒口用盖盖紧。筒的上部有一个喷出口（图3-7）。

【加入“发泡剂”的目的，是使灭火器使用时喷出的二氧化碳气体，包围在无数稳定的、不易破裂的气泡里，这样可以减少二氧化碳的扩散。因为二氧化碳是气体，虽然它比空气重，但仍然有扩散作用，特别在温度比较高的时候，扩散更快。常用的“发泡剂”是甘草根的浸出液。】

【18】使用灭火器时，只要把灭火器颠倒过来，盛酸玻璃瓶的铅盖自动落下，酸从瓶中倒出和筒内碳酸钠溶液发生反应，产生二氧化碳气体：【山注，B站专栏公式代码\Na_2CO_3+H_2SO_4=Na_2SO_4+H_2O+CO_2↑】由于气体的压力，含有大量二氧化碳气体的泡沫就从喷出口喷射出来。

【19】某些物质（例如石油、煤油、汽油等）着火的时候，是不能用水来扑救的，因为这些物质比水轻，它们能够浮在水面上继续燃烧，并且会跟随着水向四处流动，使燃烧的范围更加扩大，但如果使用二氧化碳灭火器，喷射出来大量的二氧化碳泡沫比汽油等油类更轻，能浮在燃着的油液上面，把燃烧物和空气完全隔绝起来。这样，燃烧物将因得不到空气而熄灭。

山笺||  灭火器小记

        目前市面上常见的灭火器分为三大系——二氧化碳系灭火器、水系灭火器（如水雾灭火器）、有机物灭火器（如卤代烷灭火器）。此次着重介绍一下二氧化碳系灭火器，该系灭火器又主要分为三大类：

        干粉灭火器：利用压缩的二氧化碳或氮气为动力，吹出以碳酸氢钠为主或以磷酸铵为主的干燥、易于流动，易于喷射的阻燃粉末，因粉末较轻，因此可以浮在油气之上，从而隔绝阻燃扑灭油气类火灾。

        二氧化碳灭火器：利用液态二氧化碳气化时能产生阻燃二氧化碳，以及吸收大量热量的功能进行灭火，由于只有二氧化碳参与灭火，灭火结束后，二氧化碳直接进入空气，不会对物品二次破坏。但灭火时需注意远离喷射口，以防冻伤。

        泡沫灭火器：新式泡沫灭火器不再使用老式中碳酸钠+硫酸+甘草根浸出液的配方组合，而是采用碳酸氢钠+硫酸铝+发泡剂组合，使用时喷出含有二氧化碳的水基泡沫，可以扑灭油气火灾，但不能用于通电电线处的火灾，以防短路产生更大的危险。另外搬运泡沫灭火器时不要横抱、颠倒以防内部药剂反应。（教材此处介绍的二氧化碳灭火器实际上指的就是如今的泡沫灭火器）。

        另外非二氧化碳系的灭火器，如卤代烷灭火器，水雾灭火器等等，此处暂不作详述。

二氧化碳的制法

【20】前面讲过，碳在空气或纯氧里燃烧，可以生成二氧化碳。但是，这样所得的二氧化碳是不纯净的，里面混杂着许多没有作用掉的氧气或其他气体，要从这种混和气体里分离出纯净的二氧化碳比较困难，在实验室里，纯净的二氧化碳是用盐酸和大理石或石灰石（它们都是含有碳酸钙的岩石）反应而制得，反应的化学方程式是：【山注，B站专栏公式代码\\mathop{CaCO_3}\limits_{碳酸钙}+\mathop{2HCl}\limits_{盐酸}=\mathop{CaCl_2}\limits_{氯化钙}+H_2O+CO_2↑】这个反应是固体和液体相接触，并在平常温度下就能进行，因此可以利用启普发生器来产生二氧化碳气体。

【21】二氧化碳能够溶解于水，因此收集二氧化碳气体时，不能采用排水集气法，而必须采用排气集气法，二氧化碳比空气重，集气时瓶口应该向上，导气管向下，并要一直通到接近集气瓶的瓶底处，这样集气的方法，叫做下方排气法(图3-8)。

【22】二氧化碳是无色气体，瓶中气体是否已集满，不能直接看出，可以用一根燃着的小木片放在瓶口，如果火焰熄灭，说明瓶里二氧化碳气体已经集满。

【23】集满二氧化碳气体的集气瓶，应该瓶口向上，正放在桌上，并在瓶口用玻璃片或厚纸盖住。利用上面的方法制取二氧化碳虽然比较方便，但所用的盐酸是一种比较贵的工业原料，因此，这个方法只是在实验室里制取少量二氧化碳时才适用，如果要大量生产二氧化碳，那就不经济了。现在工业上一般都用石灰石加热分解的方法来制取二氧化碳。这个问题我们将在下节里讨论。

山笺||  二氧化碳制法与性质小记

（1）实验室制取二氧化碳方法的探究

【山】生成二氧化碳的方法很多，但是并不是每种方法都适合制取二氧化碳：

【山】①燃烧碳，有气体氧气参与反应，收集气体时会混入氧气，不纯。

【山】②碳还原氧化铜，可能会生成一氧化碳，使收集气体不纯。

【山】③碳酸钠与稀硫酸或稀盐酸反应，反应速度过快，不易操作。（碳酸钠是粉末状，试验时与酸液接触面大，因此实验速度很快，不易操作，但可以利用反应速度极快这个特性来研制灭火器）

【山】④石灰石与稀硫酸反应，反应慢且一会儿就不再反应了。（生成物硫酸钙微溶于水，附着于石灰石表面，从而阻止其与酸液接触）

【山】⑤石灰石和稀盐酸反应，反应速度适中且二氧化碳生成量满足需求。因此实验室常选择石灰石或大理石与稀盐酸反应来制取二氧化碳。

【山】 综上所述，实验室常选择石灰石或大理石与稀盐酸反应来制取二氧化碳。

（2）实验室收集验证验满二氧化碳的方法

【山】①收集二氧化碳：二氧化碳是无色无味的气体，密度比空气大，易溶于水（常温常压下，1体积水可溶解1体积二氧化碳。增大压强可增强溶解性），因此实验室收集二氧化碳采用的是向下排空气法。

【山】②验证二氧化碳：检验二氧化碳的方法是用澄清石灰水，变浑浊就是二氧化碳。二氧化碳使澄清石灰水变浑浊的本质亦是二氧化碳溶于水后形成碳酸，然后与氢氧化钙酸碱中和生成水和不溶于水的碳酸钙。

【山】③验满二氧化碳：二氧化碳不能燃烧亦不支持燃烧（因此可用于灭火），因此验满二氧化碳的方法是将燃着的木条放到集气瓶口，熄灭就说明已满。

 （3）关于二氧化碳溶于水是化学变化的验证方法

【山】二氧化碳溶于水的本质是发生化学反应，生成易分解的碳酸。实验验证方法是

【山】——湿润石蕊试纸；

【山】——干燥石蕊试纸放入二氧化碳中；

【山】——湿润石蕊试纸放入二氧化碳中；

【山】——烘干变色的湿润石蕊试纸；

【山】——实验结果是，第1、2、4步的石蕊试纸不变色，第3步的石蕊试纸变红色，这说明二氧化碳溶于水时发生了化学反应，并且产生了能让紫色石蕊试纸变红色的酸性新物质。

（4）二氧化碳的用途及禁忌

【山】①用途：干冰是固态的二氧化碳，干冰易升华，会吸收大量的热，因此可作制冷剂，用于冷藏保鲜以及运输，亦可用于舞台烟雾乃至人工降雨等。 

【山】②禁忌：二氧化碳本身无毒性，但不能供给呼吸。当空气中二氧化碳含量超过1%时人会产生头昏、心悸、气喘、眩晕等不适症状；超过10%时，人会神志不清直至停止呼吸。因此人群密集的地方需要注意通风换气。

习题3-4

1、我们知道碳是可以燃烧的，氧是能够支持别种物质燃烧的。二氧化碳既含有碳元素又含有氧元素，为什么它本身既不能燃烧，又不能支持大多数物质的燃烧？

【山答】燃烧的本质是一种剧烈的氧化反应，但二氧化碳已经是被氧化完的产物，因此很难继续氧化，因此既不能燃烧，又不能支持大多数物质的燃烧。

2、有四瓶无色气体：一瓶是空气，一瓶是氧气，一瓶是氢气，一瓶是二氧化碳，你将用什么方法来识别它们？

【山答】一根点燃的火柴即可，若燃烧火势不发生明显变化则是空气；若剧烈燃烧则是氧气；若瓶中气体被点燃则是氢气，若火柴熄灭则是二氧化碳。

3、当打开汽水瓶盖时，有许多气泡冒出，你怎样证明它是二氧化碳气体？

【山答】瓶口放上燃烧的火柴；或者将气体导入石灰水中。

4、二氧化碳是没有毒性的，但为什么动物在二氧化碳气体里很快就会死亡？

【山答】在二氧化碳里，动物得不到维持呼吸所必须的氧气，因而窒息死亡。

5、什么叫做“干冰”？它有什么用途？

【山答】固体二氧化碳俗称干冰。干冰可以作为制冷剂制造低温，从而储存易腐烂的物品。

6、列表比较氧气、氢气和二氧化碳三种气体的性质。

7、叙述二氧化碳灭火器的构造、反应原理和使用方法。

【山答】二氧化碳灭火器中的主要反应物是碳酸钠和硫酸，内圆筒放置硫酸，外圆筒放置碳酸钠。正常放置时，内外圆筒由铅盖阻隔，两种化学物质并不相遇，也就不会发生反应。而等到需要使用时，倒置灭火器，铅盖由于重力作用暂时脱落，就使两种物质相遇，从而反应生成大量二氧化碳。而灭火结束后，重新放正灭火器，则铅盖再次因重力作用封住内筒口，从而隔绝内外筒接触，以恢复平静。

8、收集二氧化碳气体和收集氢气在方法上有什么不同？这和它们的性质有什么关系？

【山答】收集二氧化碳使用向上排气法，收集氢气使用向下排水法。这是因为二氧化碳溶于水，不能使用排水法；二氧化碳密度大于空气，必须瓶口向上收集。而氢气不溶于水，且密度小于空气，因此应采用瓶口向下的排水法。

9、在实验室里制取二氧化碳11克，需用纯净碳酸钙多少克？【山答】25g。