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摘要:氧氣的制取及性質(zhì)實驗是學(xué)生接觸到的第一個氣體制備與性質(zhì)檢測實驗。文中基于對人教版九年級上冊第二單元“氧氣制取與性質(zhì)實驗”的分析，發(fā)現(xiàn)其存在四個問題，設(shè)計出氧氣的實驗室制取及性質(zhì)檢測一體化實驗裝置，為今后的教學(xué)實踐提供一些實驗改進(jìn)思路。

關(guān)鍵詞:實驗設(shè)計;制取;性質(zhì)檢驗;氧氣

一、氧氣的實驗室制取及性質(zhì)檢測實驗研究現(xiàn)狀

氧氣的制取和性質(zhì)實驗屬于人教版九年級上冊第二單元的課題，是初中階段非常重要的一個基礎(chǔ)性實驗，也是學(xué)生接觸到的第一個氣體制備與性質(zhì)檢測實驗［1］。但是，教科書中的實驗裝置及操作都比較復(fù)雜，并且存在以下幾個問題:①氧氣的制取與性質(zhì)實驗分離，將燃著的非金屬單質(zhì)伸入充滿氧氣的集氣瓶中，由于玻璃片與集氣瓶之間間隙較大，氧氣會溢出，空氣也會進(jìn)入，難以保證氧氣的純度［2］;②在氧氣制取過程中不能有效地控制反應(yīng)速度以及反應(yīng)的發(fā)生和停止，也缺少催化劑的回收措施;③非金屬單質(zhì)在空氣中燃燒效果并不明顯，學(xué)生不容易清晰地觀察到燃燒現(xiàn)象;④集氣瓶底部的水只能起吸熱作用，不能吸收燃燒產(chǎn)生的二氧化硫、二氧化碳等氣體，使得這些產(chǎn)物污染環(huán)境、危害人體健康?；谝陨纤嬖诘囊恍﹩栴}，很多學(xué)者進(jìn)行了氧氣的制取實驗設(shè)計以及性質(zhì)檢測實驗設(shè)計。在實驗儀器改進(jìn)方面，有學(xué)者引入微型實驗設(shè)計，但是存在產(chǎn)生的氧氣量比常規(guī)實驗少很多的缺點(diǎn)［3－4］。在實驗尾氣處理方面，有學(xué)者采用氫氧化鈉溶液來吸收尾氣［5－6］。有學(xué)者為傳統(tǒng)“引燃”的燃燒方式提高了一種新的角度［7－8］。有學(xué)者已經(jīng)實現(xiàn)了氧氣制取與性質(zhì)檢測半一體化的設(shè)計［9－10］，但大多數(shù)實驗都停留在制取改進(jìn)，或者性質(zhì)改進(jìn)分離的狀態(tài)，少部分同時對氧氣制取和性質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，氧氣制取與性質(zhì)檢測一體化設(shè)計更是少之又少。為了在實驗教學(xué)中貫徹“綠色環(huán)保，簡易方便”的理念，本研究旨在“氧氣的制取與性質(zhì)檢測”實驗裝置一體化的設(shè)計。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，過氧化氫、氯酸鉀、高錳酸鉀等含有氧元素的物質(zhì)在一定的條件下分解都可以產(chǎn)生氧氣。其中雙氧水溶液價格最低，在常溫下就能夠分解放出氧氣。該過程無副產(chǎn)物，并且無論是在酸性介質(zhì)還是在堿性介質(zhì)中過氧化氫歧化反應(yīng)的平衡常數(shù)都很大，所以用粉末二氧化錳時，過氧化氫的分解速率極快［11］，對學(xué)生實驗操作能力、實驗時機(jī)的判斷能力也有很高的要求。高錳酸鉀價格比較高，制取氧氣時需要加熱，高錳酸鉀粉塵也容易堵塞導(dǎo)管。同時，需要藥品數(shù)量多而產(chǎn)氧率低，產(chǎn)物中的二氧化錳沒有進(jìn)行回收處理，容易造成環(huán)境污染，加入時腐蝕試管底部，不易清理［12］。氯酸鉀價格次之，需要在二氧化錳催化作用下加熱分解為氧氣，同時會有氯氣等其他副產(chǎn)物生成［13］。因此，本實驗選擇過氧化氫制取氧氣。同時，氫氧化鈉具有腐蝕性，所以選用碳酸鈣、消石灰或兩者的混合濁液(5%～10%)作為吸收劑、冷卻劑，吸收尾氣二氧化硫、二氧化碳。

二、實驗原理

(一)氧氣制取。過氧化氫在二氧化錳催化作用下生成水和氧氣，反應(yīng)過程不需要加熱，操作比較簡單方便。制得的氧氣沒有異味，反應(yīng)產(chǎn)物是水和氧氣。實驗結(jié)束后，二氧化錳只需要過濾、干燥就可以回收，不會造成環(huán)境污染。但是，反應(yīng)速率不好控制，濃度低了反應(yīng)較慢，濃度高了反應(yīng)太快，而且放熱多，氧氣中會含有大量的水蒸氣而影響到氧氣的性質(zhì)實驗效果。依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)所述，20mL15%H2O2能制得1087mLO2，可收集8～9瓶(125mL)，而50mL15%H2O2則能制得2717mLO2，可收集21～22瓶［3］。因此，本實驗選擇30mL15%H2O2進(jìn)行氧氣的制取，以減少實驗中藥品的浪費(fèi)。反應(yīng)方程式為2H2O2MnO22H2O+O2↑。

(二)性質(zhì)檢驗原理。S+O2點(diǎn)燃SO24P+5O2點(diǎn)燃2S2O5C+O2點(diǎn)燃CO26Fe+4O2點(diǎn)燃2Fe3O4

(三)激光手電。激光手電又名“激光指示器”。與一般的激光筆和指星筆不同的是它的外殼與普通的手電類似，體積較大，通常功率也比較大。常見的激光指示器有紅光(650nm－660nm)、綠光(532nm)、藍(lán)光(445nm－450nm)和藍(lán)紫光(405nm)等。一般綠光功率是50mW～100mW的多見，聚焦可以點(diǎn)火柴;綠光高于300mW的可以平行光點(diǎn)火柴，無需聚焦;400mW以上的聚焦秒穿A4紙。因此，本實驗選擇功率是50mW～100mW范圍的綠光激光手電為燃燒源，保證實驗完全在密閉環(huán)境中進(jìn)行［14］。

(四)尾氣處理。可以利用價廉易得的碳酸鈣、消石灰或兩者的混合濁液(5%～10%)作為吸收劑，吸收二氧化硫，該工藝脫硫效率高［15］。反應(yīng)方程式如下所示:2SO2+2CaCO3+O22CaSO4+2CO2;2Ca(OH)2+2SO22CaSO3·H2O;2CaSO3·H2O+2H2O+O22CaSO4·2H2O。

三、實驗試劑與儀器

(一)實驗儀器鐵架臺、酒精燈、白色紗布、銅絲、導(dǎo)管、橡膠管、硬質(zhì)玻璃管、干燥管、三頸瓶、雙孔橡膠塞、單孔塞、燃燒匙、彈簧夾、氣球、激光手電。

(二)實驗藥品。硫磺、木炭、白磷、鐵絲、碳酸鈣和消石灰的混合濁液(5%～10%)、15%過氧化氫、二氧化錳。

四、一體化實驗裝置

(見圖1)

五、實驗操作方法

①取30mL15%的過氧化氫溶液于圓底燒瓶中，固定在鐵架臺上。再將一定量研細(xì)的二氧化錳鋪在白色紗布里面，系于銅絲一端，插入橡膠塞。用組裝好的橡膠塞塞緊圓底燒瓶，調(diào)整銅絲的高度，使包有二氧化錳的白色紗布懸在過氧化氫液面以上。②取一定量的碳酸鈣和消石灰的混合濁液(5%～10%)加入到三頸瓶中，將其固定于鐵架臺上。用橡膠管連接圓底燒瓶的導(dǎo)管另一端與裝有無水氯化鈣的干燥管，并用簡易物體從干燥管下面將其支撐。再通過帶有彎形導(dǎo)管的單孔賽從三頸瓶左側(cè)瓶口深入到吸收液液面以上，并將燃燒匙、帶有彈簧夾的導(dǎo)管雙孔橡膠塞插入三頸瓶的中間瓶頸，以及將帶有氣球的單孔賽安裝于右側(cè)，進(jìn)行氧氣性質(zhì)檢測的系列實驗。③連接好實驗儀器后，檢查裝置氣密性，準(zhǔn)備進(jìn)行性質(zhì)檢測實驗。④在燃燒匙中裝適量硫粉，塞緊橡膠塞，用激光手電聚焦照射，直到發(fā)生燃燒，觀察現(xiàn)象即為硫在空氣中燃燒的實驗現(xiàn)象。再將銅絲下移至紗布在液面以下，觀察火焰變化情況。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的二氧化硫可以被底部的碳酸鈣和消石灰的混合濁液(5%～10%)吸收。⑤將鐵粉、火柴混合放入燃燒匙，組裝好儀器，將裝有二氧化錳的紗布深入到液面以下。一段時間后夾緊氣球，打開彈簧夾，用帶火星的木條進(jìn)行氣體驗滿，同時可以用激光手電照射燃燒匙內(nèi)的鐵粉和火柴，觀察實驗現(xiàn)象。

六、一體化實驗裝置優(yōu)點(diǎn)

首先，一體化裝置的設(shè)計，不需要提前制備多瓶氧氣，因而不會造成氧氣逸散。其次，實驗是在密閉的體系中進(jìn)行的，產(chǎn)生的二氧化硫等酸性污染性氣體可用碳酸鈣、消石灰或兩者的混合濁液吸收，減少了環(huán)境污染。最后，該裝置實驗所需藥品量少，無污染，既適宜做演示實驗，又適合做學(xué)生分組實驗。

作者:楊梅 單位:西北師范大學(xué)教育學(xué)院