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摘要:氧氣的制取及性質實驗是學生接觸到的第一個氣體制備與性質檢測實驗。文中基于對人教版九年級上冊第二單元“氧氣制取與性質實驗”的分析，發現其存在四個問題，設計出氧氣的實驗室制取及性質檢測一體化實驗裝置，為今后的教學實踐提供一些實驗改進思路。
關鍵詞:實驗設計;制取;性質檢驗;氧氣
一、氧氣的實驗室制取及性質檢測實驗研究現狀
氧氣的制取和性質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性實驗，也是學生接觸到的第一個氣體制備與性質檢測實驗［1］。但是，教科書中的實驗裝置及操作都比較復雜，并且存在以下幾個問題:①氧氣的制取與性質實驗分離，將燃著的非金屬單質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速度以及反應的發生和停止，也缺少催化劑的回收措施;③非金屬單質在空氣中燃燒效果并不明顯，學生不容易清晰地觀察到燃燒現象;④集氣瓶底部的水只能起吸熱作用，不能吸收燃燒產生的二氧化硫、二氧化碳等氣體，使得這些產物污染環境、危害人體健康?；谝陨纤嬖诘囊恍﹩栴}，很多學者進行了氧氣的制取實驗設計以及性質檢測實驗設計。在實驗儀器改進方面，有學者引入微型實驗設計，但是存在產生的氧氣量比常規實驗少很多的缺點［3－4］。在實驗尾氣處理方面，有學者采用氫氧化鈉溶液來吸收尾氣［5－6］。有學者為傳統“引燃”的燃燒方式提高了一種新的角度［7－8］。有學者已經實現了氧氣制取與性質檢測半一體化的設計［9－10］，但大多數實驗都停留在制取改進，或者性質改進分離的狀態，少部分同時對氧氣制取和性質進行改進，氧氣制取與性質檢測一體化設計更是少之又少。為了在實驗教學中貫徹“綠色環保，簡易方便”的理念，本研究旨在“氧氣的制取與性質檢測”實驗裝置一體化的設計。通過查閱相關文獻發現，過氧化氫、氯酸鉀、高錳酸鉀等含有氧元素的物質在一定的條件下分解都可以產生氧氣。其中雙氧水溶液價格最低，在常溫下就能夠分解放出氧氣。該過程無副產物，并且無論是在酸性介質還是在堿性介質中過氧化氫歧化反應的平衡常數都很大，所以用粉末二氧化錳時，過氧化氫的分解速率極快［11］，對學生實驗操作能力、實驗時機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管。同時，需要藥品數量多而產氧率低，產物中的二氧化錳沒有進行回收處理，容易造成環境污染，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，反應產物是水和氧氣。實驗結束后，二氧化錳只需要過濾、干燥就可以回收，不會造成環境污染。但是，反應速率不好控制，濃度低了反應較慢，濃度高了反應太快，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實驗效果。依據相關文獻所述，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進行氧氣的制取，以減少實驗中藥品的浪費。反應方程式為2H2O2MnO22H2O+O2↑。
(二)性質檢驗原理。S+O2點燃SO24P+5O2點燃2S2O5C+O2點燃CO26Fe+4O2點燃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)、藍光(445nm－450nm)和藍紫光(405nm)等。一般綠光功率是50mW～100mW的多見，聚焦可以點火柴;綠光高于300mW的可以平行光點火柴，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境中進行［14］。
(四)尾氣處理?？梢岳脙r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、導管、橡膠管、硬質玻璃管、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。再通過帶有彎形導管的單孔賽從三頸瓶左側瓶口深入到吸收液液面以上，并將燃燒匙、帶有彈簧夾的導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，進行氧氣性質檢測的系列實驗。③連接好實驗儀器后，檢查裝置氣密性，準備進行性質檢測實驗。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，直到發生燃燒，觀察現象即為硫在空氣中燃燒的實驗現象。再將銅絲下移至紗布在液面以下，觀察火焰變化情況。反應過程中產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，用帶火星的木條進行氣體驗滿，同時可以用激光手電照射燃燒匙內的鐵粉和火柴，觀察實驗現象。
六、一體化實驗裝置優點
首先，一體化裝置的設計，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行的，產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，又適合做學生分組實驗。
作者:楊梅 單位:西北師范大學教育學院