用過(guò)氧化氫制取氧氣的優(yōu)越性探討

　　摘 要： 本文利用改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)進(jìn)行氧化氫制取氧氣，并與其他三種制氧方法進(jìn)行比較，從而得出氧化氫制氧有較好的優(yōu)越性的結(jié)論。
　　關(guān)鍵詞： 過(guò)氧化氫 實(shí)驗(yàn)室制氧 優(yōu)越性
　　氧氣的實(shí)驗(yàn)室制法歷來(lái)都是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的一個(gè)重要的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，很多學(xué)校都會(huì)無(wú)一例外地考慮現(xiàn)階段中學(xué)化學(xué)教材中實(shí)驗(yàn)室制取氧氣的方法，要求學(xué)生動(dòng)手做利用氯酸鉀或高錳酸鉀分解制氧的學(xué)生實(shí)驗(yàn)。我注意觀察學(xué)生對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作，發(fā)現(xiàn)很少有學(xué)生在第一次做實(shí)驗(yàn)做得流暢，要么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，要么氧氣收集不足，要么實(shí)驗(yàn)中氣體產(chǎn)生的速度不易控制等。用過(guò)氧化氫制取氧氣，并適當(dāng)改變其實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)，正是我們探討解決的問(wèn)題所在。
　　對(duì)利用氯酸鉀加熱分解，高錳酸鉀加熱分解，過(guò)氧化氫分解，以及過(guò)氧化鈉與水反應(yīng)制取氧氣的方法進(jìn)行比較探討，以尋求解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室制氧中的問(wèn)題的方法。對(duì)此，我們從以下幾個(gè)方面來(lái)探討過(guò)氧化氫制氧的優(yōu)越性。
　　一、實(shí)驗(yàn)控制與易操作性
　　傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室制氧一般采用氯酸鉀和高錳酸鉀加熱分解來(lái)制取氧氣，如圖1方法1和方法2所示，在制氧過(guò)程中由于氯酸鉀分解產(chǎn)生的氧氣非常快，學(xué)生利用排水法收集氧氣，由于缺乏實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，因此很難在短時(shí)間內(nèi)把產(chǎn)生的氧氣收集完畢，導(dǎo)致收集氧氣過(guò)少而影響后期實(shí)驗(yàn)。同時(shí)利用高錳酸鉀分解的速度又太慢，導(dǎo)致收集氧氣過(guò)程較長(zhǎng)而影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)。而利用過(guò)氧化氫取氧和過(guò)氧化鈉與水反應(yīng)制氧實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行一定改進(jìn)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1方法3和方法4。利用方法3制氧，我們可以利用分液漏斗來(lái)適時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)氧化氫參與反應(yīng)的流量，從而有效地控制了實(shí)驗(yàn)中氣體產(chǎn)生的量，利用不同濃度的過(guò)氧化氫（一般反應(yīng)濃度控制在10%～15%）來(lái)進(jìn)行反應(yīng)，可以有效調(diào)節(jié)氧氣產(chǎn)生的速度。在實(shí)驗(yàn)室開始之前，先將氣球（氣球體積適當(dāng)大小）里的空氣盡量排盡，將開關(guān)2關(guān)閉，打開開關(guān)1。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，打開分液漏斗的調(diào)節(jié)開關(guān)，讓過(guò)氧化氫與二氧化錳混合在一起進(jìn)行有效反應(yīng)，氧氣開始產(chǎn)生后5～10s內(nèi)，讓空氣盡量排空，再關(guān)閉開關(guān)1，打開開關(guān)2，氧氣開始進(jìn)入氣球，氣球膨脹起來(lái)，當(dāng)估計(jì)收集到的氧氣足夠做氧氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉分液漏斗的開關(guān)，停止氧氣的產(chǎn)生。當(dāng)要進(jìn)行氧氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以在開關(guān)1的玻璃管上端套上導(dǎo)氣管，然后利用排水取氣法進(jìn)行氧氣的取用，這樣，氧氣的取用量和取用的時(shí)間都通過(guò)對(duì)開關(guān)1的調(diào)節(jié)得到有效控制，保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。方法4的操作要領(lǐng)與方法3類似，但是方法4，過(guò)氧化鈉與水反應(yīng)有較多的氣泡和大量的熱產(chǎn)生，影響實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。
　　二、實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)捷性
　　在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，我們要求實(shí)驗(yàn)裝置盡量科學(xué)、合理、簡(jiǎn)捷。這就要求在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象達(dá)到鮮明的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)所需實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量和種類盡量少，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程盡量簡(jiǎn)單易行。以上四種制取氧氣實(shí)驗(yàn)裝置圖和每一種裝置所需要儀器種類和數(shù)量來(lái)看，制取裝置分別為固—固裝置和固—液裝置，裝置圖的簡(jiǎn)單性無(wú)疑是利用過(guò)氧化氫、過(guò)氧化鈉與水反應(yīng)制氧顯得特別突出，而用氯酸鉀和高錳酸鉀加熱分解來(lái)制氧所需儀器的種類和數(shù)量多。
　　三、實(shí)驗(yàn)的綠色性
　　綠色化學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代化學(xué)倡導(dǎo)的化學(xué)精神，是指在獲取新物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)中充分利用參與反應(yīng)的每個(gè)原料原子，實(shí)現(xiàn)“零排放”。不僅要充分利用資源，而且不產(chǎn)生污染，并采用無(wú)毒無(wú)害的溶劑、助劑和催化劑，生產(chǎn)有利于環(huán)境保護(hù)和人身健康的環(huán)境友好產(chǎn)品。四種制氧方法中，都有固體參加反應(yīng)，有新固體出現(xiàn)的是加熱氯酸鉀、高錳酸鉀和過(guò)氧化鈉與水反應(yīng)，反應(yīng)剩余物分別為氯化鉀和二氧化錳、錳酸鉀和二氧化錳及氫氧化鈉。而過(guò)氧化氫分解制氧中不需要加熱，沒有新固體產(chǎn)生，氣體產(chǎn)生速度快且容易控制、產(chǎn)物為水和氧氣，均為綠色化學(xué)產(chǎn)品，對(duì)人體和環(huán)境均無(wú)任何副作用，并且二氧化錳與水的分離比較容易，回收程序簡(jiǎn)單，可以重復(fù)利用，該反應(yīng)充分體現(xiàn)綠色化學(xué)的思想。
　　四、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的鮮明性
　　在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象鮮明、生動(dòng)、易于觀察是鑒別實(shí)驗(yàn)成功的重要標(biāo)志之一。在我進(jìn)行的四種制氧實(shí)驗(yàn)中，氯酸鉀制氧的速度較快，如果使用6g氯酸鉀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一般在幾分鐘內(nèi)氧氣就基本產(chǎn)生完畢，但實(shí)驗(yàn)者需要在較短時(shí)間內(nèi)收集氧氣，就必須做到全局考慮，統(tǒng)籌安排。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象雖然較為鮮明，但實(shí)驗(yàn)初學(xué)者很難達(dá)到干凈利落收集氣體的實(shí)驗(yàn)要求；高錳酸鉀制氧速度最慢，通常需要加熱較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)有氧氣的制取，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不太明顯；利用分液漏斗控制過(guò)氧化氫實(shí)驗(yàn)用量與二氧化錳做催化劑的情況下，進(jìn)行制氧現(xiàn)象非常明顯，只要有過(guò)氧化氫滴下，馬上就會(huì)有氧氣產(chǎn)生，在排除空氣后，馬上收集氣體，立刻會(huì)看到氣球迅速鼓起來(lái)；過(guò)氧化鈉現(xiàn)象類似于過(guò)氧化氫的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但反應(yīng)液體泡沫較多。
　　五、實(shí)驗(yàn)的安全性
　　實(shí)驗(yàn)室安全第一，四種實(shí)驗(yàn)室制氧方法到底有哪些潛在的不安全因素存在呢？首先看氯酸鉀制氧法，氯酸鉀俗稱白藥粉，有毒，不能誤入眼、口中，研磨氯酸鉀晶體時(shí)，如果藥品中混有少量還原性雜質(zhì)，就會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈氧化的發(fā)生而爆炸。實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果試管底部一旦低于試管口，由于濕存水就會(huì)導(dǎo)致試管破裂。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，如果酒精燈預(yù)熱不全面或酒精燈加熱位置不對(duì)，就會(huì)引起試管破裂或藥品噴發(fā)出來(lái)。實(shí)驗(yàn)完成后，如實(shí)驗(yàn)裝置的拆卸步驟不正確（先移走酒精燈，后取出導(dǎo)氣管），將使水槽內(nèi)水迅速倒吸，而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)裝置炸裂。其次，看高錳酸鉀制氧法，高錳酸鉀是強(qiáng)氧化物，對(duì)皮膚易造成損傷，其他潛在的危險(xiǎn)與氯酸鉀制氧法相差不多。最后，來(lái)看看過(guò)氧化氫分解及過(guò)氧化鈉與水反應(yīng)制取氧法，這兩個(gè)反應(yīng)條件都比較溫和，反應(yīng)過(guò)程中不需要加熱，能量消耗較少，只要控制好過(guò)氧化氫的濃度（濃度不宜過(guò)高，一般控制在10%～15%為宜，以免濃度過(guò)高引起反應(yīng)過(guò)猛而爆炸），并能通過(guò)分液漏斗來(lái)控制好過(guò)氧化氫和水的流速，緩慢逐滴滴入，并且用較大體積的氣球（即使氣球破裂，也沒有實(shí)質(zhì)性的危險(xiǎn)發(fā)生）來(lái)收集氣體，就可以避免因瞬間產(chǎn)生大量氣體而氣壓過(guò)大的危險(xiǎn)。
　　綜上所述，利用過(guò)氧化氫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室制取氧氣的方法，無(wú)論在實(shí)驗(yàn)操作的易控性、實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)單安全性、實(shí)驗(yàn)的綠色性、原料的成本等方面，都是其他三者所不能超越的，具有較好的優(yōu)越性。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]孟凡盛.實(shí)驗(yàn)室“綠色制氧”的科學(xué)探究[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2003.
　　[2]李廣洲，陸真.化學(xué)教學(xué)論實(shí)驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，200