周文榮　商蘭芬

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

關(guān)鍵詞： 雙氧水制氧氣； 驗證氧氣性質(zhì)； 一體化裝置； 實驗改進(jìn)

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

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

1裝置設(shè)計的緣起

1.1教材中實驗裝置

“氧氣的制取和性質(zhì)”是初中化學(xué)重要的基礎(chǔ)實驗之一，九年級化學(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。教材中的實驗裝置是經(jīng)典的固體和液體不需要加熱的氣體發(fā)生裝置，其一方面是對實驗室制氧氣裝置的補(bǔ)充和完善，另一方面承載著對“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，生成的水越來越多，雙氧水的濃度不斷下降，反應(yīng)速率會越來越慢，而反應(yīng)裝置不能及時排出廢液。

（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。

（3） 多個班級同時上課或同一教師連續(xù)上課時，需要準(zhǔn)備多瓶氧氣，給實驗準(zhǔn)備帶來不便且搬移過程中容易逸散。

（4） 無法實現(xiàn)氧氣制取和性質(zhì)驗證的連續(xù)進(jìn)行。

1.2一線教師的研究現(xiàn)狀

許多一線化學(xué)教師勇于實踐，積極探索，對“雙氧水制氧氣并驗證氧氣性質(zhì)”的實驗裝置進(jìn)行了新的設(shè)計與改進(jìn)，其主要的改進(jìn)裝置及優(yōu)點見表1[3][4][5]。

1.3裝置設(shè)計的發(fā)展空間

縱觀上述創(chuàng)新設(shè)計，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)驗和借鑒資源。同時，也給對“雙氧水制氧氣并驗證氧氣性質(zhì)”實驗的進(jìn)一步研究留下了一定的發(fā)展空間。

（1） 上述裝置相對比較復(fù)雜，大多用到玻璃儀器和鐵架臺，相對來說較重，搬移過程中容易破損?？稍诶蒙畈牧?、使用輕便器材以及適合學(xué)生分組實驗等方面作進(jìn)一步改進(jìn)。

（2） 上述裝置在連續(xù)實驗時的清洗、反應(yīng)產(chǎn)物的檢驗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孔，分別插入一根輸液管（長短可根據(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，通過拉動細(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可以通過滴速控制器排除廢液；輸液管c可以在反應(yīng)過程中及時添加少量液體反應(yīng)物，大量的試劑可打開杯蓋直接添加。

2.2氧氣性質(zhì)驗證裝置的制作

氧氣性質(zhì)驗證裝置的制作如圖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，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）。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“雙氧水制氧氣并驗證氧氣性質(zhì)”實驗的一體化裝置如圖4所示。將塑料盒底部的孔穿過氧氣發(fā)生裝置杯蓋上的玻璃管，用玻璃膠固定，將打過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)速率較快但無法控制反應(yīng)的停止，同時反應(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)后對環(huán)境有污染，且銅絲表面的氧化銅對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)速率相對較慢。

綜合以上分析，本實驗采用簡單直接、操作簡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，表面粘附一些二氧化錳，待水泥完全硬化后備用。

4實驗操作步驟和現(xiàn)象

利用此裝置可完成氧氣的制取及性質(zhì)的驗證等一系列連續(xù)實驗。

（1） 往氧氣發(fā)生裝置的水杯中加入一定量的雙氧水，松開系有網(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，罩上底部開孔的水杯，一段時間后用帶火星的木條置于開孔上方，發(fā)現(xiàn)木條復(fù)燃。

（2） 在盛液盤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，同時盛液盤中的石灰水變渾濁。打開輸液管d的控制器，排出殘液并用蒸餾水清洗盛液盤。

（3） 往盛液盤中加少量澄清石灰水，點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，同時石灰水變渾濁，上面的水杯內(nèi)壁有水珠生成。

（4） 在盛液盤中再多加點水，在酒精燈上方點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中。排出殘液并清洗盛液盤。

（5） 往盛液盤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色。排出殘液，并快速往盛液盤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。

5新裝置設(shè)計的優(yōu)點

（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)系列實驗，減少了課前收集多瓶氧氣等重復(fù)性工作，使實驗變得更簡便，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，適合長期存放，可用于學(xué)生的分組實驗。

（2） 反復(fù)利用，節(jié)約藥品。

反應(yīng)過程中實現(xiàn)雙氧水與二氧化錳的分離，在進(jìn)行下一個班級教學(xué)時，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)過程中雙氧水濃度變小時，可以通過輸液管b及時排出廢液，從輸液管c添加藥品，減少了打開杯蓋添加藥品造成氧氣的泄漏，大大節(jié)省了藥品和時間。

（3） 產(chǎn)物檢驗，及時明顯。

在盛液盤中添加檢驗產(chǎn)物的試劑，可以在反應(yīng)時直接看到明顯現(xiàn)象，既避免了反應(yīng)后再去檢驗產(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，可以通過往盛液盤中加氫氧化鈉溶液來直接處理，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，通過拉動網(wǎng)兜上的細(xì)線，實現(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)實驗，如二氧化碳的制取與性質(zhì)驗證等，實現(xiàn)了一套裝置多種用途。

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