摘要:氧气的制取及性质实验是学生接触到的第一个气体制备与性质检测实验。文中基于对人教版九年级上册第二单元“氧气制取与性质实验”的分析，发现其存在四个问题，设计出氧气的实验室制取及性质检测一体化实验装置，为今后的教学实践提供一些实验改进思路。
关键词:实验设计;制取;性质检验;氧气
一、氧气的实验室制取及性质检测实验研究现状
氧气的制取和性质实验属于人教版九年级上册第二单元的课题，是初中阶段非常重要的一个基础性实验，也是学生接触到的第一个气体制备与性质检测实验［1］。但是，教科书中的实验装置及操作都比较复杂，并且存在以下几个问题:①氧气的制取与性质实验分离，将燃着的非金属单质伸入充满氧气的集气瓶中，由于玻璃片与集气瓶之间间隙较大，氧气会溢出，空气也会进入，难以保证氧气的纯度［2］;②在氧气制取过程中不能有效地控制反应速度以及反应的发生和停止，也缺少催化剂的回收措施;③非金属单质在空气中燃烧效果并不明显，学生不容易清晰地观察到燃烧现象;④集气瓶底部的水只能起吸热作用，不能吸收燃烧产生的二氧化硫、二氧化碳等气体，使得这些产物污染环境、危害人体健康。基于以上所存在的一些问题，很多学者进行了氧气的制取实验设计以及性质检测实验设计。在实验仪器改进方面，有学者引入微型实验设计，但是存在产生的氧气量比常规实验少很多的缺点［3－4］。在实验尾气处理方面，有学者采用氢氧化钠溶液来吸收尾气［5－6］。有学者为传统“引燃”的燃烧方式提高了一种新的角度［7－8］。有学者已经实现了氧气制取与性质检测半一体化的设计［9－10］，但大多数实验都停留在制取改进，或者性质改进分离的状态，少部分同时对氧气制取和性质进行改进，氧气制取与性质检测一体化设计更是少之又少。为了在实验教学中贯彻“绿色环保，简易方便”的理念，本研究旨在“氧气的制取与性质检测”实验装置一体化的设计。通过查阅相关文献发现，过氧化氢、氯酸钾、高锰酸钾等含有氧元素的物质在一定的条件下分解都可以产生氧气。其中双氧水溶液价格最低，在常温下就能够分解放出氧气。该过程无副产物，并且无论是在酸性介质还是在碱性介质中过氧化氢歧化反应的平衡常数都很大，所以用粉末二氧化锰时，过氧化氢的分解速率极快［11］，对学生实验操作能力、实验时机的判断能力也有很高的要求。高锰酸钾价格比较高，制取氧气时需要加热，高锰酸钾粉尘也容易堵塞导管。同时，需要药品数量多而产氧率低，产物中的二氧化锰没有进行回收处理，容易造成环境污染，加入时腐蚀试管底部，不易清理［12］。氯酸钾价格次之，需要在二氧化锰催化作用下加热分解为氧气，同时会有氯气等其他副产物生成［13］。因此，本实验选择过氧化氢制取氧气。同时，氢氧化钠具有腐蚀性，所以选用碳酸钙、消石灰或两者的混合浊液(5%～10%)作为吸收剂、冷却剂，吸收尾气二氧化硫、二氧化碳。
二、实验原理
(一)氧气制取。过氧化氢在二氧化锰催化作用下生成水和氧气，反应过程不需要加热，操作比较简单方便。制得的氧气没有异味，反应产物是水和氧气。实验结束后，二氧化锰只需要过滤、干燥就可以回收，不会造成环境污染。但是，反应速率不好控制，浓度低了反应较慢，浓度高了反应太快，而且放热多，氧气中会含有大量的水蒸气而影响到氧气的性质实验效果。依据相关文献所述，20mL15%H2O2能制得1087mLO2，可收集8～9瓶(125mL)，而50mL15%H2O2则能制得2717mLO2，可收集21～22瓶［3］。因此，本实验选择30mL15%H2O2进行氧气的制取，以减少实验中药品的浪费。反应方程式为2H2O2MnO22H2O+O2↑。
(二)性质检验原理。S+O2点燃SO24P+5O2点燃2S2O5C+O2点燃CO26Fe+4O2点燃2Fe3O4
(三)激光手电。激光手电又名“激光指示器”。与一般的激光笔和指星笔不同的是它的外壳与普通的手电类似，体积较大，通常功率也比较大。常见的激光指示器有红光(650nm－660nm)、绿光(532nm)、蓝光(445nm－450nm)和蓝紫光(405nm)等。一般绿光功率是50mW～100mW的多见，聚焦可以点火柴;绿光高于300mW的可以平行光点火柴，无需聚焦;400mW以上的聚焦秒穿A4纸。因此，本实验选择功率是50mW～100mW范围的绿光激光手电为燃烧源，保证实验完全在密闭环境中进行［14］。
(四)尾气处理。可以利用价廉易得的碳酸钙、消石灰或两者的混合浊液(5%～10%)作为吸收剂，吸收二氧化硫，该工艺脱硫效率高［15］。反应方程式如下所示:2SO2+2CaCO3+O22CaSO4+2CO2;2Ca(OH)2+2SO22CaSO3·H2O;2CaSO3·H2O+2H2O+O22CaSO4·2H2O。
三、实验试剂与仪器
(一)实验仪器铁架台、酒精灯、白色纱布、铜丝、导管、橡胶管、硬质玻璃管、干燥管、三颈瓶、双孔橡胶塞、单孔塞、燃烧匙、弹簧夹、气球、激光手电。
(二)实验药品。硫磺、木炭、白磷、铁丝、碳酸钙和消石灰的混合浊液(5%～10%)、15%过氧化氢、二氧化锰。
四、一体化实验装置
(见图1)
五、实验操作方法
①取30mL15%的过氧化氢溶液于圆底烧瓶中，固定在铁架台上。再将一定量研细的二氧化锰铺在白色纱布里面，系于铜丝一端，插入橡胶塞。用组装好的橡胶塞塞紧圆底烧瓶，调整铜丝的高度，使包有二氧化锰的白色纱布悬在过氧化氢液面以上。②取一定量的碳酸钙和消石灰的混合浊液(5%～10%)加入到三颈瓶中，将其固定于铁架台上。用橡胶管连接圆底烧瓶的导管另一端与装有无水氯化钙的干燥管，并用简易物体从干燥管下面将其支撑。再通过带有弯形导管的单孔赛从三颈瓶左侧瓶口深入到吸收液液面以上，并将燃烧匙、带有弹簧夹的导管双孔橡胶塞插入三颈瓶的中间瓶颈，以及将带有气球的单孔赛安装于右侧，进行氧气性质检测的系列实验。③连接好实验仪器后，检查装置气密性，准备进行性质检测实验。④在燃烧匙中装适量硫粉，塞紧橡胶塞，用激光手电聚焦照射，直到发生燃烧，观察现象即为硫在空气中燃烧的实验现象。再将铜丝下移至纱布在液面以下，观察火焰变化情况。反应过程中产生的二氧化硫可以被底部的碳酸钙和消石灰的混合浊液(5%～10%)吸收。⑤将铁粉、火柴混合放入燃烧匙，组装好仪器，将装有二氧化锰的纱布深入到液面以下。一段时间后夹紧气球，打开弹簧夹，用带火星的木条进行气体验满，同时可以用激光手电照射燃烧匙内的铁粉和火柴，观察实验现象。
六、一体化实验装置优点
首先，一体化装置的设计，不需要提前制备多瓶氧气，因而不会造成氧气逸散。其次，实验是在密闭的体系中进行的，产生的二氧化硫等酸性污染性气体可用碳酸钙、消石灰或两者的混合浊液吸收，减少了环境污染。最后，该装置实验所需药品量少，无污染，既适宜做演示实验，又适合做学生分组实验。
作者:杨梅 单位:西北师范大学教育学院