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        求真務(wù)實 事必躬親——對過氧化氫與二氧化錳反應(yīng)制取氧氣實驗的探討

        2013-12-28 04:44:44卞萬國
        化學(xué)教與學(xué) 2013年1期
        關(guān)鍵詞:反應(yīng)速度二氧化錳過氧化氫

        卞萬國

        (江蘇省鹽城市城南新區(qū)伍佑初中 江蘇 鹽城 224041)

        初中化學(xué)實驗知識點零碎而復(fù)雜,化學(xué)實驗過程中的不確定因素很多, 對于各類實驗我們教師要親歷親為,力爭把效果較好的實驗呈現(xiàn)給學(xué)生。 因為較好效果的實驗往往在于教師的反復(fù)實踐后,才可能探索到。

        請看一道實驗探究題,無論是人教版義務(wù)教育課程標準實驗教科書 《化學(xué)》 九年級上冊43 頁習(xí)題的第5題;還是最新的人教版義務(wù)教育教科書《化學(xué)》九年級上冊42 頁練習(xí)與應(yīng)用的第4 題, 都編排了下面這個實驗探究題:

        利用下列所示的儀器、藥品(及其他必要物品)進行實驗并探究。

        (1)“把二氧化錳加入裝有過氧化氫溶液的試管中”與“把過氧化氫溶液緩緩加入盛有少量二氧化錳的試管中”的實驗現(xiàn)象是否相同? 哪種方法可以得到平穩(wěn)的氧氣流?

        (2)設(shè)計制取氧氣和試驗其性質(zhì)的實驗方案(下表可供參考, 你也可以利用一些其他代用品自行設(shè)計其他方案),征得老師同意后實施你的方案,實驗后進行小結(jié)。

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        對于這個題目的解答有如下幾種:

        人教版《化學(xué)教師教學(xué)用書》九年級上冊58 頁是這樣描述的:

        (1)此題引導(dǎo)學(xué)生思考如何得到平穩(wěn)氣流,為第(2)題做些準備。

        (2)這是一道探究活動習(xí)題,綜合有關(guān)氧氣知識進行復(fù)習(xí)。 這樣的習(xí)題將會在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力方面起一定作用。

        用氧化銅、氧化鐵、紅磚粉末等都可以代替二氧化錳作催化劑使過氧化氫溶液分解。 學(xué)生也可以再試一試其他什么物質(zhì)可以作這一反應(yīng)的催化劑。

        把催化劑放在試管里,塞好帶有導(dǎo)管的瓶塞(應(yīng)為橡皮塞, 圖中沒有瓶子, 只有試管和具支試管—筆者注),用注射器通過導(dǎo)管向內(nèi)逐滴加入過氧化氫溶液,可以得到平穩(wěn)的氣流,同時也便于收集。

        學(xué)生設(shè)計的方案可能是多種多樣的,對此教師應(yīng)予以鼓勵。 對于不正確或可能不成功的方案,只要沒有危險,教師也應(yīng)讓學(xué)生試一試。 學(xué)生會從探索中體驗到成功的經(jīng)驗或獲得失敗的教訓(xùn)。 只要學(xué)生積極思考了,認真去做了,在這個過程中一定會有收獲的。

        提供的表格僅供參考, 學(xué)生可以自行設(shè)計實驗?zāi)繕?、方案、步驟等。 但設(shè)計好后,應(yīng)由教師審查后再實施。

        我以前對這一題的理解是:按照上面的提示得出第(1)題中“把過氧化氫溶液緩緩加入盛有少量二氧化錳的試管中”(以下簡稱“前者”)比“把二氧化錳加入裝有過氧化氫溶液的試管中”(以下簡稱“后者”)產(chǎn)生的氧氣流平穩(wěn),從而啟發(fā)學(xué)生在第(2)題中選出用注射器通過導(dǎo)管向具支試管內(nèi)逐滴加入過氧化氫溶液,可以得到平穩(wěn)的氣流,同時也便于收集。

        網(wǎng)上(包括一些“名師工作室”)對此題的第(1)小題的回答也有多種答案:

        甲答案:“如果兩次所用兩種物質(zhì)的量一樣的話,現(xiàn)象相同(都是劇烈放出氣體)。 實驗室制取應(yīng)該向MnO2中加入H2O2液體,要多少加多少,如果加得均勻穩(wěn)定,那么氣體也是均勻穩(wěn)定的。 ”

        乙答案:“如果把二氧化錳加入過氧化氫前,過氧化氫就已經(jīng)反應(yīng)生成少量氧氣。 加入過氧化氫就會引起快速的劇烈反應(yīng),直到過氧化氫全部反應(yīng)為止,故無法控制反應(yīng)速度。 由于以上兩點原因氧氣流不平穩(wěn)。 當把過氧化氫加入二氧化錳的時候, 反應(yīng)前試管中沒有氧氣。加入過氧化氫時,由于可以控制加入的速度,就可以使其較慢反應(yīng),以得到平穩(wěn)的氧氣流。 ”

        這個答案對前者的分析語言邏輯混亂,按照對后者的分析,我推測前者應(yīng)這樣說才比較通順:在把二氧化錳加入過氧化氫前,過氧化氫在試管里就已經(jīng)緩慢反應(yīng)生成少量氧氣。 加入二氧化錳后就會引起快速的劇烈反應(yīng),直到過氧化氫全部反應(yīng)為止,故無法控制反應(yīng)速度。由于以上兩點原因氧氣流不平穩(wěn)……

        丙答案:“當然是后者了。 后者試管中過氧化氫一邊被消耗,一邊被增加,其量一直可以控制為幾乎不變,二氧化錳的量也不變,所以氧氣流比較平穩(wěn);前者過氧化氫的量一直在減少,二氧化錳的量一直在增加,氧氣流當然不會平穩(wěn)了。 再說,“把二氧化錳加入裝有過氧化氫的試管中”,你是要加多少二氧化錳啊? 那是催化劑,加一點點就可以了,實際操作中,就是一勺加完了。 ”

        丁答案:“現(xiàn)象不一樣。 前面方法反應(yīng)更劇烈,因為反應(yīng)物更多(二氧化錳是催化劑),所以剛開始氧氣大量放出(很激烈),最后到過氧化氫濃度低時就慢了。 后面方法過氧化氫慢慢加入,每次滴入濃度差不多,就可以得到平穩(wěn)的氧氣流。 量少與催化劑接觸面積小,所以反應(yīng)放出氣體速率較慢。 ”

        ……

        總的來說, 大家都傾向于前者反應(yīng)速度開始非???,而且反應(yīng)速度很快變慢,氧氣流不穩(wěn)定,不易控制和收集;后者可以做到使氧氣流平穩(wěn),便于收集。 說實話,我也是一直這么認為的,因為我沒做過這樣的實驗。 直到有一次學(xué)?;瘜W(xué)興趣小組一位同學(xué)向我問了這一題,我當時心血來潮,給他來個“實踐出真知”吧! 心想反正實驗挺簡單的,也沒什么危險,不怎么費事。 于是我把他領(lǐng)到實驗室,找出藥品和儀器,讓他自己動手做一做。

        他在那里做實驗,我就在旁邊看著,做“把二氧化錳加入裝有過氧化氫溶液的試管中”的實驗時,我看到他把一支試管正插在試管架上的孔中,向試管里倒入適量的過氧化氫溶液, 再向試管內(nèi)加入少量的二氧化錳,二氧化錳剛加入的瞬間反應(yīng)劇烈,有大量水霧和氧氣從試管中沖出,他嚇了一跳,說了句:“乖乖,這么猛?。?”過了約兩三秒鐘反應(yīng)穩(wěn)定了下來,這時觀察到僅在溶液的上半部分二氧化錳粉末上下翻滾、反應(yīng)快速,下半部分溶液依然澄清且風(fēng)平浪靜,后來二氧化錳粉末逐漸慢慢向下擴散,反應(yīng)速度較快且穩(wěn)定,持續(xù)了大約兩分鐘左右,反應(yīng)才逐漸停止。 接下來做“把過氧化氫溶液緩緩加入盛有少量二氧化錳的試管中”, 我看到他往另一支試管中加入少量二氧化錳, 然后試管正插在試管架上的孔中,打開盛過氧化氫溶液的試劑瓶蓋,向試管中緩慢地倒入過氧化氫溶液,沒料到的事情發(fā)生了,加入的液體混合著黑色粉末一起沖出試管濺在那位學(xué)生的衣服上、手上,連臉上也有大大小小的黑斑了。 這下他被嚇了一跳,但沒哭,他說:“這東西還發(fā)燙??!”我趕緊把他拉到水池邊洗去臉上、 手上的污物……看這實驗探究哪里是“實踐出真知啊”,是我出糗出大發(fā)了!

        后來我自己做了幾次實驗,改變了過氧化氫溶液的濃度、改變了二氧化錳的量,實驗結(jié)果仍然是前者反應(yīng)速度較穩(wěn)定,后者反應(yīng)速度變化起伏很大,不易控制。 我心里想:到底是自己實驗設(shè)計有問題,還是書上的結(jié)論有問題呢? 正好趕上暑假閑來無事,我重新設(shè)計了實驗,并把實驗過程用相機拍了下來,來和專家、教授交流探討。 由于所拍視頻容量較大,上傳困難,所以這里我只能描述實驗現(xiàn)象了,敬請諒解!

        本次實驗我設(shè)計了兩部分:

        一、不同濃度的過氧化氫溶液與二氧化錳作用

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        實驗現(xiàn)象描述:

        第一組實驗中,右邊的試管二氧化錳剛加入的瞬間反應(yīng)劇烈,有大量水汽和氧氣從試管中沖出,過了約兩三秒鐘反應(yīng)穩(wěn)定了下來,這時觀察到二氧化錳粉末就在溶液的上半部分上下翻滾,快速反應(yīng)。 下半部分溶液依然澄清且風(fēng)平浪靜, 后來二氧化錳逐漸慢慢向下擴散,反應(yīng)速度較快且穩(wěn)定,持續(xù)三分四十秒后,反應(yīng)速度明顯減慢,四分鐘后反應(yīng)逐漸停止。 左邊的試管,剛開始倒入過氧化氫溶液反應(yīng)劇烈,固、液混合物差點沖出試管,停止傾倒后反應(yīng)很快停止, 再傾倒反應(yīng)還是很劇烈,我用了近一分鐘將10mL 液體斷斷續(xù)續(xù)傾倒完, 反應(yīng)在一分三秒后逐漸停止。

        第二組實驗中, 右邊試管中二氧化錳剛加入的瞬間反應(yīng)也很劇烈,有大量水汽和氧氣從試管中放出,但反應(yīng)很快穩(wěn)定了下來, 觀察到二氧化錳還是僅在溶液的上半部分上下翻滾、反應(yīng),下半部分溶液依然澄清平靜,后來二氧化錳逐漸慢慢向下擴散,反應(yīng)速度較快且穩(wěn)定,持續(xù)二分十秒后,反應(yīng)速度明顯減慢,二分三十秒后反應(yīng)逐漸停止。 左邊試管中,開始倒入過氧化氫溶液反應(yīng)劇烈,有大量氣體和水汽沖出試管,停止傾倒后反應(yīng)很快停止,再傾倒反應(yīng)還是很劇烈,我用了約四十五秒鐘將10mL 液體斷斷續(xù)續(xù)倒完,反應(yīng)在一分十秒后逐漸停止。

        第三組實驗中,右邊試管中二氧化錳剛加入的瞬間反應(yīng)很快, 有較多水蒸氣和氧氣從試管中放出,隨即反應(yīng)穩(wěn)定了下來,這時觀察到二氧化錳就在溶液的上半部分上下翻滾,反應(yīng)較快進行,下半部分溶液依然風(fēng)靜,后來二氧化錳也逐漸慢慢向下擴散,反應(yīng)速度較快且穩(wěn)定,持續(xù)一分二十秒后,反應(yīng)速度明顯減慢,一分二十五秒后反應(yīng)逐漸停止。 左邊試管中,剛開始倒入過氧化氫溶液反應(yīng)很快, 我用了約四十秒將10mL 液體斷斷續(xù)續(xù)倒完,反應(yīng)在五十秒后變慢,一分五秒后逐漸停止。

        通過這三組實驗可以看出,“把二氧化錳加入裝有過氧化氫溶液的試管中”比“把過氧化氫溶液緩緩加入盛有少量二氧化錳的試管中”反應(yīng)持續(xù)時間長,產(chǎn)生的氧氣流穩(wěn)定。 分析原因,我認為二氧化錳粉末顆粒很細,與過氧化氫溶液的接觸面積很大。 把少量二氧化錳直接加入到過氧化氫溶液中,剛開始時,由于表層過氧化氫溶液與二氧化錳先接觸,所以反應(yīng)劇烈,放出氧氣的同時產(chǎn)生大量水霧。 隨著二氧化錳粉末進入溶液內(nèi)部,氧氣在二氧化錳顆粒表面生成, 而二氧化錳顆粒很小,表面附著的氣泡使二氧化錳顆粒的浮力增加,二氧化錳顆粒向溶液表面運動,附著的氣泡脫離二氧化錳顆粒表面而逸出溶液,二氧化錳顆粒的浮力減小,在溶液中又向下運動,這樣周而復(fù)始。 所以我們就看到反應(yīng)速度很快穩(wěn)定下來,二氧化錳在溶液的上半部分上下翻滾,且不會很快下沉到底。 隨著反應(yīng)的進行,溶液上半部分的過氧化氫被消耗,過氧化氫濃度降低,產(chǎn)生的氧氣不足以使所有二氧化錳顆粒仍然停留在溶液的上半部分,就有一部分二氧化錳顆粒在重力的作用下就向溶液的深處運動,那里二氧化錳與濃度較高的過氧化氫溶液反應(yīng)而產(chǎn)生較多的氧氣。 從而使二氧化錳顆粒就像運送氧氣的“小車” 繼續(xù)在溶液里上下往復(fù)運動, 由于運送氧氣的“小車”數(shù)量是一定的,所以單位時間內(nèi),運送氧氣的量基本恒定,反應(yīng)就這樣一直持續(xù)著,直至“小車”布滿了整個過氧化氫溶液一段時間后,氧氣的量隨著過氧化氫即將消耗完而很快減少。

        而“把過氧化氫溶液緩緩加入盛有少量二氧化錳的試管中”,情形則大不相同。 首先“把過氧化氫緩緩加入”的傾倒速度就難以控制,即使讓溶液沿著試管內(nèi)壁呈一條線的流入試管內(nèi),試管底的二氧化錳粉末還是會飛起來。 其次無論過氧化氫濃度大小,剛開始倒入的過氧化氫溶液量稍微多一點,反應(yīng)都會非常劇烈,甚至加入的溶液大部分還沒來得及反應(yīng)就連同氧氣、水汽一起沖出試管。 這是因為二氧化錳粉末和過氧化氫溶液下表面接觸的瞬間,反應(yīng)速度非??欤@些運送氧氣的“小車”根本來不及運動到溶液表面,它們就在原地“卸下”運送的氧氣,導(dǎo)致溶液底部氣體壓強瞬間增大,氣體膨脹,這樣氧氣裹挾著液體、粉末一起向上沖。 在沒有液體流下或滴下時,反應(yīng)又很快停止。 最后在實驗過程中,大部分二氧化錳粉末一直停留在試管內(nèi)液體的底部,加入新溶液后,這些二氧化錳“小車”依然在原地“卸下”運送的氧氣,這樣反應(yīng)就在時斷時續(xù)中進行,而且當把溶液全部加入后反應(yīng)也很快停止了。

        二、用注射器與廣口瓶組合和用氣體簡易發(fā)生裝置制取氧氣的比較

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        綜上所述,我認為用過氧化氫溶液,二氧化錳做催化劑制取氧氣最好選用簡易發(fā)生裝置,還要先加入過氧化氫溶液,后加入少量二氧化錳,這樣反應(yīng)持續(xù)時間較長,氧氣流穩(wěn)定,方便收集氣體,實驗由一人即可完成;而把過氧化氫溶液加入二氧化錳中, 氧氣流不穩(wěn)定,不便于收集氧氣,即使使用注射器、長頸漏斗等與試管、廣口瓶、錐形瓶等裝置組合也不能取得較好的實驗效果。

        以上是本人的一些拙見,懇請專家、教授批評指正,提出更好的建議,使我們化學(xué)實驗教學(xué)進行得更有效。

        [1] 課程教材研究所化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育課程標準實驗教科書·化學(xué)九年級上冊[M].北京:人民教育出版社,2010

        [2] 課程教材研究所化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書·化學(xué)九年級上冊[M].北京:人民教育出版社,2012

        [3] 課程教材研究所化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育課程標準實驗教科書·化學(xué)九年級上冊教師教學(xué)用書[M].北京:人民教育出版社,2010

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