雙氧水制氧氣并驗(yàn)證氧氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化裝置的新設(shè)計(jì)

周文榮　商蘭芬

摘要： 在分析教材中“用雙氧水制氧氣”實(shí)驗(yàn)裝置的地位、作用和缺陷的基礎(chǔ)上，調(diào)研了一線教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，立足于生活器材，完成“雙氧水制氧氣并驗(yàn)證氧氣性質(zhì)”一體化裝置的制作及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。從裝置的便捷、藥品的節(jié)約、反應(yīng)的控制、產(chǎn)物的檢驗(yàn)、尾氣的處理、裝置的多用等視角剖析裝置設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，為學(xué)生提供多種形式的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 雙氧水制氧氣； 驗(yàn)證氧氣性質(zhì)； 一體化裝置； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 10056629（2018）10006504中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

“化學(xué)實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行科學(xué)探究的重要方式，學(xué)生具備基本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能是學(xué)習(xí)化學(xué)和進(jìn)行探究活動(dòng)的基礎(chǔ)和保證”[1]。教師積極探索課本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新，可以為學(xué)生提供多種形式的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，讓學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦，樂(lè)于探究，勤于反思，促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)的發(fā)展。

1裝置設(shè)計(jì)的緣起

1.1教材中實(shí)驗(yàn)裝置

“氧氣的制取和性質(zhì)”是初中化學(xué)重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一，九年級(jí)化學(xué)教材（上海教育出版社，教育部2012年審定）中用雙氧水制氧氣的裝置如圖1[2]所示。教材中的實(shí)驗(yàn)裝置是經(jīng)典的固體和液體不需要加熱的氣體發(fā)生裝置，其一方面是對(duì)實(shí)驗(yàn)室制氧氣裝置的補(bǔ)充和完善，另一方面承載著對(duì)“固液混合不需要加熱”這一類氣體發(fā)生裝置模型分析、認(rèn)知、建構(gòu)的功能。

課堂學(xué)習(xí)中，探究氧氣的性質(zhì)需要制取較多的氧氣，用圖1裝置存在以下一些缺陷：

（1） 隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生成的水越來(lái)越多，雙氧水的濃度不斷下降，反應(yīng)速率會(huì)越來(lái)越慢，而反應(yīng)裝置不能及時(shí)排出廢液。

（2） 不能控制反應(yīng)的進(jìn)行，催化劑一般不回收，造成藥品浪費(fèi)。

（3） 多個(gè)班級(jí)同時(shí)上課或同一教師連續(xù)上課時(shí)，需要準(zhǔn)備多瓶氧氣，給實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備帶來(lái)不便且搬移過(guò)程中容易逸散。

（4） 無(wú)法實(shí)現(xiàn)氧氣制取和性質(zhì)驗(yàn)證的連續(xù)進(jìn)行。

1.2一線教師的研究現(xiàn)狀

許多一線化學(xué)教師勇于實(shí)踐，積極探索，對(duì)“雙氧水制氧氣并驗(yàn)證氧氣性質(zhì)”的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，其主要的改進(jìn)裝置及優(yōu)點(diǎn)見(jiàn)表1[3][4][5]。

1.3裝置設(shè)計(jì)的發(fā)展空間

縱觀上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)，一線化學(xué)教師做了細(xì)致而又深入的研究，為后續(xù)研究提供了寶貴的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和借鑒資源。同時(shí)，也給對(duì)“雙氧水制氧氣并驗(yàn)證氧氣性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步研究留下了一定的發(fā)展空間。

（1） 上述裝置相對(duì)比較復(fù)雜，大多用到玻璃儀器和鐵架臺(tái)，相對(duì)來(lái)說(shuō)較重，搬移過(guò)程中容易破損。可在利用生活材料、使用輕便器材以及適合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)等方面作進(jìn)一步改進(jìn)。

（2） 上述裝置在連續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的清洗、反應(yīng)產(chǎn)物的檢驗(yàn)以及尾氣的處理等方面均可作進(jìn)一步探索和研究。

2新裝置制作的方法

2.1氧氣發(fā)生裝置的制作

利用某些生活器材制作的用雙氧水制取氧氣的發(fā)生裝置如圖2所示。取密封性好有杯蓋的廢棄塑料水杯，在杯蓋上打孔，插入一根短玻璃管或硬塑料管。在塑料杯壁的左上方、右上方和右下方各打一個(gè)孔，分別插入一根輸液管（長(zhǎng)短可根據(jù)杯子大小和使用需要而定，其中輸液管a事先穿一根細(xì)線），在輸液管上裝一個(gè)滴速控制器或彈簧夾，所有打孔處用玻璃膠密封，以防漏氣。

輸液管a中細(xì)線連接可裝固體的網(wǎng)兜，通過(guò)拉動(dòng)細(xì)線和控制滴速控制器讓固體與液體接觸或分離；輸液管b可以通過(guò)滴速控制器排除廢液；輸液管c可以在反應(yīng)過(guò)程中及時(shí)添加少量液體反應(yīng)物，大量的試劑可打開(kāi)杯蓋直接添加。

2.2氧氣性質(zhì)驗(yàn)證裝置的制作

氧氣性質(zhì)驗(yàn)證裝置的制作如圖3所示，由兩部分組成。取廢塑料盒在底部中心打孔，孔的大小可讓圖2中玻璃管穿過(guò)，塑料盒的高度可根據(jù)需要自行裁剪，在塑料盒的底部右側(cè)打孔，插入一根帶有滴速控制器的輸液管d，打孔處用玻璃膠密封，以防液體滴漏（以下稱為盛液盤(pán)）。另取口徑小于塑料盒的廢棄塑料水杯，在底部打孔，孔徑大小與后續(xù)要用的橡膠塞相匹配。

2.3一體化裝置的組裝

利用生活中器材制作的“雙氧水制氧氣并驗(yàn)證氧氣性質(zhì)”實(shí)驗(yàn)的一體化裝置如圖4所示。將塑料盒底部的孔穿過(guò)氧氣發(fā)生裝置杯蓋上的玻璃管，用玻璃膠固定，將打過(guò)小孔的另一塑料水杯罩住氧氣發(fā)生裝置杯蓋上的玻璃管。

3催化劑制作的方法

用雙氧水制取氧氣一般使用二氧化錳粉末做催化劑，反應(yīng)速率較快但無(wú)法控制反應(yīng)的停止，同時(shí)反應(yīng)結(jié)束后二氧化錳粉末不易回收。參考其他文獻(xiàn)，教師對(duì)催化劑的改進(jìn)做了大量的研究。有教師用Al2O3或碎瓷片吸附通過(guò)化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的MnO2制成載體催化劑[6][7]，但利用生活器材制作條件有限，操作相對(duì)復(fù)雜；也有教師把MnO2粘附在涂有502膠水的螺旋狀銅絲上[8]，但502膠水有一定毒性，揮發(fā)后對(duì)環(huán)境有污染，且銅絲表面的氧化銅對(duì)探究催化劑的種類及催化效果有干擾；還有教師用生的馬鈴薯塊做催化劑[9]，但反應(yīng)速率相對(duì)較慢。

綜合以上分析，本實(shí)驗(yàn)采用簡(jiǎn)單直接、操作簡(jiǎn)便的方法制作球狀固體催化劑[10]，具體方法為： 取等質(zhì)量的二氧化錳和水泥，加適量的水?dāng)嚢杈鶆?，制成黃豆大小的球狀固體顆粒，將硬化前的水泥球在二氧化錳粉末中滾動(dòng)，表面粘附一些二氧化錳，待水泥完全硬化后備用。

4實(shí)驗(yàn)操作步驟和現(xiàn)象

利用此裝置可完成氧氣的制取及性質(zhì)的驗(yàn)證等一系列連續(xù)實(shí)驗(yàn)。

（1） 往氧氣發(fā)生裝置的水杯中加入一定量的雙氧水，松開(kāi)系有網(wǎng)兜（內(nèi)裝混有二氧化錳的水泥球）的細(xì)繩，使兩者充分接觸。觀察到水泥球表面產(chǎn)生大量氣泡，罩上底部開(kāi)孔的水杯，一段時(shí)間后用帶火星的木條置于開(kāi)孔上方，發(fā)現(xiàn)木條復(fù)燃。

（2） 在盛液盤(pán)中倒入一定量澄清石灰水，用鑷子夾取一塊木炭于酒精燈上灼燒至發(fā)出

微弱紅光，然后伸入氧氣流中發(fā)現(xiàn)木炭劇烈燃燒，發(fā)出白光，同時(shí)盛液盤(pán)中的石灰水變渾濁。打開(kāi)輸液管d的控制器，排出殘液并用蒸餾水清洗盛液盤(pán)。

（3） 往盛液盤(pán)中加少量澄清石灰水，點(diǎn)燃置于燃燒匙中的蠟燭并伸入氧氣流中，可以看到蠟燭燃燒得更為劇烈，同時(shí)石灰水變渾濁，上面的水杯內(nèi)壁有水珠生成。

（4） 在盛液盤(pán)中再多加點(diǎn)水，在酒精燈上方點(diǎn)燃系于螺旋狀鐵絲底部的火柴梗，伸入氧氣流中，可以看到鐵絲劇烈燃燒，火星四射，生成的黑色固體掉落在盛液盤(pán)中。排出殘液并清洗盛液盤(pán)。

（5） 往盛液盤(pán)中倒入少量高錳酸鉀溶液，用帶橡膠塞的燃燒匙取少量硫粉在空氣中點(diǎn)燃，產(chǎn)生淡藍(lán)色火焰，伸入氧氣流中并塞緊橡膠塞，裝置見(jiàn)圖5。淡藍(lán)色火焰變?yōu)槊髁恋乃{(lán)紫色，高錳酸鉀溶液由紫紅色變?yōu)闊o(wú)色。排出殘液，并快速往盛液盤(pán)中加入足量氫氧化鈉溶液以吸收裝置中殘留的二氧化硫氣體。最后排出殘液并清洗盛液盤(pán)。

5新裝置設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

（1） 裝置輕便，使用方便。

利用一套裝置完成了氧氣的制取與氧氣的性質(zhì)系列實(shí)驗(yàn)，減少了課前收集多瓶氧氣等重復(fù)性工作，使實(shí)驗(yàn)變得更簡(jiǎn)便，更高效。此裝置的制作材料取材于生活，可以廢物利用，而且所用材料大部分是塑料，質(zhì)量較輕，所占空間不大，攜帶比較輕便。制作好后不需要經(jīng)常拆卸，適合長(zhǎng)期存放，可用于學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)。

（2） 反復(fù)利用，節(jié)約藥品。

反應(yīng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)雙氧水與二氧化錳的分離，在進(jìn)行下一個(gè)班級(jí)教學(xué)時(shí)，還可以繼續(xù)使用，混有二氧化錳的水泥球稍作清洗可以循環(huán)使用。反應(yīng)過(guò)程中雙氧水濃度變小時(shí)，可以通過(guò)輸液管b及時(shí)排出廢液，從輸液管c添加藥品，減少了打開(kāi)杯蓋添加藥品造成氧氣的泄漏，大大節(jié)省了藥品和時(shí)間。

（3） 產(chǎn)物檢驗(yàn)，及時(shí)明顯。

在盛液盤(pán)中添加檢驗(yàn)產(chǎn)物的試劑，可以在反應(yīng)時(shí)直接看到明顯現(xiàn)象，既避免了反應(yīng)后再去檢驗(yàn)產(chǎn)物的繁瑣，又可以讓學(xué)生直觀地感受新物質(zhì)的生成。

（4） 尾氣處理，綠色環(huán)保。

反應(yīng)中產(chǎn)生的二氧化硫有毒氣體，可以通過(guò)往盛液盤(pán)中加氫氧化鈉溶液來(lái)直接處理，綠色環(huán)保，不污染空氣。

（5） 控制反應(yīng)，隨制隨停。

把二氧化錳與水泥制成球狀固體顆粒裝入網(wǎng)兜，通過(guò)拉動(dòng)網(wǎng)兜上的細(xì)線，實(shí)現(xiàn)了隨制隨

停的目的。

（6） 遷移應(yīng)用，裝置多用。

該裝置還可以用于其他固體與液體不需要加熱的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如二氧化碳的制取與性質(zhì)驗(yàn)證等，實(shí)現(xiàn)了一套裝置多種用途。

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