氧氣的制取與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

蔣麗萍 錢柳云

摘要：基于文獻(xiàn)查閱和實(shí)踐研究，對(duì)雙氧水制取氧氣與氧氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新，從化繁為簡(jiǎn)、裝置小型、提高效率、增強(qiáng)對(duì)比、方便推廣等角度進(jìn)行了改進(jìn)。力圖通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)意識(shí)、實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生的對(duì)比分析、定性定量分析等學(xué)科思維。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)改進(jìn);實(shí)驗(yàn)一體化;氧氣濃度

文章編號(hào)：1008-0546（2021）04-0095-03 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.025

氧氣是《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中“身邊的化學(xué)物質(zhì)”主題下“我們周圍的空氣”中的內(nèi)容，氧氣的實(shí)驗(yàn)室制取與性質(zhì)是科學(xué)探究主題中學(xué)生必須完成的八個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一[1]。也是學(xué)生必須掌握的實(shí)驗(yàn)之一，在整個(gè)初中化學(xué)中處于非常重要的地位。教材中以非金屬、金屬、有機(jī)物分別與氧氣的反應(yīng)為例，通過(guò)分析歸納的方法認(rèn)識(shí)氧氣的化學(xué)性質(zhì)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)氧氣能跟許多物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)。教學(xué)中教師必須通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生初步學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室制取氧氣的方法，再要求學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，比較不同物質(zhì)在空氣、氧氣中的燃燒現(xiàn)象，歸納氧氣的化學(xué)性質(zhì)。

一、創(chuàng)意來(lái)源

九年級(jí)化學(xué)教材（上海教育出版社，教育部2012年審定）中雙氧水制取氧氣所用的裝置是用錐形瓶和分液漏斗，組裝的固體與液體反應(yīng)不需要加熱的氣體發(fā)生裝置，在驗(yàn)證氧氣的性質(zhì)時(shí)需要制取三瓶氧氣，在三瓶氧氣中分別完成木炭、鐵絲、蠟燭在氧氣中燃燒的實(shí)驗(yàn)[2]。在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)教材中的實(shí)驗(yàn)有一些不足，如：藥品用量多、氣體制備量大、教師課前準(zhǔn)備困難;無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣體制取和性質(zhì)驗(yàn)證的連續(xù)進(jìn)行;無(wú)法控制反應(yīng)的開(kāi)始和停止、無(wú)法連續(xù)多堂課教學(xué);鐵絲、木炭不易點(diǎn)燃，現(xiàn)象不明顯;難以將二氧化錳粉末分離出來(lái)回收;隨著反應(yīng)的進(jìn)行，雙氧水濃度下降，不能及時(shí)排出液體等。

筆者查閱了文獻(xiàn)、學(xué)習(xí)了許多一線教師有關(guān)于“雙氧水制取氧氣”的發(fā)生裝置及性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案[3]。有些發(fā)生裝置雖能控制反應(yīng)的開(kāi)始和停止，及時(shí)排出液體，但裝置過(guò)于復(fù)雜，不便于推廣使用。塊狀二氧化錳催化劑制作相對(duì)繁瑣費(fèi)時(shí)。性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置無(wú)法進(jìn)行多個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，性質(zhì)實(shí)驗(yàn)所需氧氣的量大，制備耗時(shí)較長(zhǎng)。無(wú)法進(jìn)一步探究氧氣的濃度對(duì)可燃物燃燒的影響，故不能幫助學(xué)生理解可燃物在氧氣中比在空氣中燃燒更劇烈[3]?；谝陨锨闆r，筆者對(duì)氧氣的制取發(fā)生裝置、性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置及藥品進(jìn)行整合、簡(jiǎn)化、改進(jìn)和創(chuàng)新，使制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一氣呵成。使裝置小型化，節(jié)約藥品，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高課堂效率。在學(xué)習(xí)氧氣與木炭、鐵絲、蠟燭等反應(yīng)的同時(shí)，探究氧氣濃度對(duì)可燃物燃燒的影響。幫助學(xué)生從定性、定量?jī)蓚€(gè)角度學(xué)習(xí)了氧氣的化學(xué)性質(zhì)。

二、實(shí)驗(yàn)用品

儀器：簡(jiǎn)易啟普發(fā)生器（125mL）、改裝平底燒瓶（50mL）、橡皮塞、導(dǎo)管、橡膠管、燃燒匙、鱷魚夾、棉花、打氣筒。

藥品：10%的H2O2溶液、MnO2（塊狀）、石英砂、酒精、木炭、細(xì)鐵絲、蠟燭。

三、實(shí)驗(yàn)裝置

氣體發(fā)生裝置見(jiàn)圖1，用125mL簡(jiǎn)易啟普發(fā)生器，簡(jiǎn)單易得，價(jià)格便宜。性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2、圖3，用50mL的平底燒瓶左右開(kāi)孔，左側(cè)距離瓶底3cm處接小型干燥管，右側(cè)距離瓶底4cm處接支管作為性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的容器，平底燒瓶的左側(cè)進(jìn)氣口略偏下方，更有利于向上排氣的方式收集干燥的氧氣，右側(cè)出氣口連接導(dǎo)管可用于檢驗(yàn)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物，操作方便，現(xiàn)象明顯。催化劑為塊狀固體二氧化錳，不用自制，在“淘寶”網(wǎng)站購(gòu)買，也可以用水泥負(fù)載二氧化錳小球，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、多班進(jìn)行，反復(fù)使用，方便快捷。這套裝置可以將氧氣的制取與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化，并可以連續(xù)進(jìn)行多個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，及時(shí)檢驗(yàn)產(chǎn)物。通過(guò)氣筒可快速、雙向地改變?nèi)萜鲀?nèi)氧氣的濃度，通過(guò)觀察木炭在不同濃度的氧氣中燃燒的現(xiàn)象進(jìn)一步理解氧氣的濃度對(duì)可燃物燃燒的影響。

四、實(shí)驗(yàn)原理

五、實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

1.檢查裝置的氣密性

2.向啟普發(fā)生器上的氣體出口處加入塊狀二氧化錳（加固體前在容器的球體中放入橡膠墊圈，防止固體掉入半球體中），從球形漏斗口加入10%的過(guò)氧化氫溶液。

3.打開(kāi)導(dǎo)氣管上的活塞，用帶火星的木條檢驗(yàn)燒瓶中氧氣是否收集滿，然后連續(xù)完成氧氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

（1）鐵絲在氧氣中燃燒

用編制石棉網(wǎng)的細(xì)鐵絲（無(wú)漆的）或編制紗窗用的細(xì)鐵絲代替市售的細(xì)鐵絲。把鐵絲盤成螺旋狀并在鐵絲下端綁一小團(tuán)棉花，用鱷魚夾固定，將其伸入無(wú)水乙醇中，取出后在酒精燈上點(diǎn)燃，待即將燃盡時(shí)迅速將其伸入充滿氧氣且底部裝有石英砂的集氣瓶中（石英砂耐高溫，防止生成的黑色固體濺落瓶底使集氣瓶炸裂）。持續(xù)向瓶中提供氧氣，延長(zhǎng)鐵絲燃燒時(shí)間，觀察燃燒現(xiàn)象。鐵絲劇烈燃燒，火星四射，放出熱量，生成黑色固體。

（2）蠟燭在氧氣中燃燒

在小燒杯中加入少量的澄清石灰水，在燃燒匙內(nèi)放置一小段蠟燭，在空氣中點(diǎn)燃后，伸入充滿氧氣的燒瓶中，將右側(cè)導(dǎo)管伸入澄清石灰水中，觀察現(xiàn)象。觀察到蠟燭在氧氣中燃燒發(fā)出白光，放出熱量，燒瓶?jī)?nèi)壁有水霧，澄清石灰水變渾濁，證明蠟燭燃燒生成了二氧化碳和水。

（3）木炭在氧氣中燃燒

用鱷魚夾夾取一小塊木炭，在酒精燈火焰上灼燒至紅熱，立刻插人燒瓶中，將右側(cè)導(dǎo)管伸入澄清石灰水中。觀察到木炭燃燒發(fā)出白光，放出熱量，澄清石灰水變渾濁，證明木炭燃燒生成了二氧化碳。

（4）“木炭在空氣和氧氣中燃燒”對(duì)比實(shí)驗(yàn)

打開(kāi)止水夾，用氣筒從右側(cè)通入空氣，觀察減小氧氣濃度時(shí)木炭燃燒的現(xiàn)象，打開(kāi)活塞通入氧氣，觀察增大氧氣濃度時(shí)木炭燃燒變旺的現(xiàn)象……反復(fù)操作，進(jìn)行對(duì)比。

4.最后關(guān)閉活塞，固體與液體再次分離，反應(yīng)停止。

六、設(shè)計(jì)特色

本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新后可將氧氣的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化，連續(xù)進(jìn)行多個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，既可適用于教師多班進(jìn)行課堂演示，也可作為學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

1.北繁為簡(jiǎn)：氧氣的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化。實(shí)驗(yàn)室制取氧氣氣體的發(fā)生裝置教材上是用試管或分液漏斗、長(zhǎng)頸漏斗、錐形瓶作為發(fā)生裝置，無(wú)法控制反應(yīng)的開(kāi)始和停止，筆者改用簡(jiǎn)易啟普發(fā)生器可以隨時(shí)控制反應(yīng)的開(kāi)始和停止，并隨著反應(yīng)的進(jìn)行，雙氧水濃度的下降可以及時(shí)排出液體。教材上氧氣的三個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)需要提前先收集三瓶氧氣，再在三個(gè)集氣瓶中分別進(jìn)行，筆者對(duì)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，改進(jìn)后的容器可連續(xù)進(jìn)行多個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，還能對(duì)比幾個(gè)燃燒實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)比幫助學(xué)生體會(huì)氧氣的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，許多物質(zhì)都能與氧氣發(fā)生反應(yīng)。使學(xué)生學(xué)會(huì)用定性的方法研究氧氣的化學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)了學(xué)科思維的培養(yǎng)。二氧化錳粉末不便于回收，筆者對(duì)藥品進(jìn)行了改進(jìn)，采用塊狀二氧化錳為催化劑、便于回收利用。塊狀可以適用于啟普發(fā)生器，可實(shí)現(xiàn)固體與液體的分離。塊狀二氧化錳便于反復(fù)使用，多班實(shí)驗(yàn)，節(jié)約藥品，培養(yǎng)了學(xué)生綠色化學(xué)意識(shí)、幫助學(xué)生初步學(xué)會(huì)氧氣的實(shí)驗(yàn)室制法和探究可燃物在氧氣中燃燒的現(xiàn)象，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究的能力。

2.裝置小型：節(jié)約藥品，節(jié)省時(shí)間，提高課堂效率。用50mL的平底燒瓶代替原本200mL的集氣瓶，減少排出容器內(nèi)空氣的時(shí)間，在一分鐘內(nèi)可連續(xù)完成氧氣的三個(gè)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，縮短實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，更適合課堂演示與分組探究實(shí)驗(yàn)。

3.提高效率：實(shí)驗(yàn)的成功率提高，及時(shí)檢驗(yàn)產(chǎn)物。木炭、鐵絲用鱷魚夾固定，操作簡(jiǎn)單。用火柴引燃鐵絲難以控制伸入氧氣瓶?jī)?nèi)的時(shí)間，用蘸有酒精的棉花代替火柴引燃鐵絲，成功率更高，現(xiàn)象更明顯，也便于觀察生成的黑色固體。用導(dǎo)管連接燒瓶，檢驗(yàn)?zāi)咎?、蠟燭燃燒生成的二氧化碳，產(chǎn)物及時(shí)檢驗(yàn)，現(xiàn)象明顯，讓學(xué)生更直觀地感受新物質(zhì)的生成，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理能力。

4.對(duì)比明顯：探究氧氣濃度對(duì)可燃物燃燒的影響。增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：木炭在空氣和氧氣中燃燒對(duì)比。教材上指出“木炭在氧氣中燃燒比在空氣中燃燒劇烈，可燃物在氧氣中燃燒通常比在空氣中劇烈”[2]，通過(guò)打氣筒可快速、雙向改變?nèi)萜髦醒鯕鉂舛取椭鷮W(xué)生進(jìn)一步理解氧氣濃度對(duì)可燃物燃燒的影響，幫助學(xué)生初步學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單定量研究氧氣的化學(xué)性質(zhì)，發(fā)展了學(xué)生對(duì)比實(shí)驗(yàn)、定性、定量分析的學(xué)科思維。

5.較易推廣：實(shí)現(xiàn)一套裝置、多種用途、推廣使用。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，易推廣。身邊的化學(xué)物質(zhì)氧氣、二氧化碳新課教學(xué)中教師演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)都可以選擇該裝置，幫助學(xué)生更好地掌握氧氣、二氧化碳?xì)怏w的實(shí)驗(yàn)室制法的反應(yīng)原理、實(shí)驗(yàn)裝置和基本的操作技能，能通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究氧氣、二氧化碳的性質(zhì)，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的過(guò)程，形成基本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作技能。在復(fù)習(xí)氧氣、二氧化碳化學(xué)知識(shí)的過(guò)程中，便于學(xué)生分析、比較氧氣與二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制法、性質(zhì)的異同點(diǎn)，并能根據(jù)氣體的性質(zhì)選擇實(shí)驗(yàn)室制取的方法和裝置，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)室氣體制取的一般方法，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決簡(jiǎn)單化學(xué)問(wèn)題的能力。增強(qiáng)了化學(xué)復(fù)習(xí)課堂上化學(xué)實(shí)驗(yàn)的作用，讓復(fù)習(xí)課堂的效率提高，樹(shù)立學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的正確的態(tài)度。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012

[2]王祖浩.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].上海：上海教育出版社，2012

[3]穆小艷，裝銳.初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)與創(chuàng)新研究—以氧氣的制取和性質(zhì)實(shí)驗(yàn)為例[J].化學(xué)教與學(xué)，2016（4）：85-87

*本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項(xiàng)課題：基于“生活即教育”思想的中學(xué)化學(xué)深度學(xué)習(xí)研究（立項(xiàng)編號(hào)：E-c/2020/05）階段性研究成果。

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