實驗室制取氧氣方法的對比及建議

潘國榮+白顯圣+陳正美

摘要：討論了KMnO4、KClO3、H2O2三種物質(zhì)制取氧氣方法的特點，旨在為中學(xué)化學(xué)教學(xué)探尋一種實驗室制取氧氣的優(yōu)化方案。通過從成本、操作、環(huán)保、安全等對比得出，使用過氧化氫分解制取氧氣是一種比較高效、節(jié)能、環(huán)保、安全的好方法。此結(jié)論可為優(yōu)化實驗室制取氧氣的方法及相關(guān)教學(xué)提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：實驗室制氧氣；制氧方法對比；實驗方案優(yōu)化

文章編號：1005–6629（2015）9–0045–04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

實驗室制取氧氣是初中化學(xué)經(jīng)典的演示實驗和學(xué)生實驗，由于汞蒸氣對人體有毒害，因此，人們已經(jīng)不再使用氧化汞分解來制取氧氣了，現(xiàn)在實驗室常用過氧化氫、高錳酸鉀和氯酸鉀這三種物質(zhì)的分解反應(yīng)來制取氧氣。我國現(xiàn)行各種版本的義務(wù)教育化學(xué)教科書在有關(guān)實驗室制取氧氣方法與教學(xué)的問題上采取不一樣的辦法，側(cè)重點也各不相同，顯得有些混亂。究竟哪一種物質(zhì)制取氧氣更有優(yōu)勢？能否用一套評價標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行綜合評估，為中學(xué)化學(xué)教學(xué)中有關(guān)實驗室制取氧氣的方法和教學(xué)尋找一種比較優(yōu)化的方案？下面我們從成本、操作、環(huán)保、安全等方面對三種物質(zhì)分解制取氧氣的方法進(jìn)行綜合對比與全面評估。

1 教科書制取氧氣方法介紹及比較

我國在實施課程標(biāo)準(zhǔn)[1]以前的人教版全國通用初中化學(xué)教科書[2]中，只是介紹了氯酸鉀和高錳酸鉀分解制取氧氣的裝置和反應(yīng)式。在修訂版課程標(biāo)準(zhǔn)[3]指導(dǎo)下編制的全國各種版本初中化學(xué)教科書介紹的方法是不統(tǒng)一的。魯教版教科書[4]只介紹了過氧化氫制取氧氣的裝置和反應(yīng)式；一些教科書[5，6]則分別介紹了高錳酸鉀和過氧化氫制取氧氣的裝置和反應(yīng)式；人教版教科書[7]先重點介紹了高錳酸鉀分解制取氧氣的裝置和反應(yīng)式，再探討過氧化氫分解制氧中二氧化錳的作用，然后介紹過氧化氫與氯酸鉀制取氧氣的反應(yīng)式；粵教版教科書[8]是先探討過氧化氫在二氧化錳存在下的分解與反應(yīng)式，再重點介紹高錳酸鉀分解制取氧氣的裝置和反應(yīng)式，后介紹氯酸鉀制取氧氣的反應(yīng)式；滬教版教科書[9]先分別介紹了高錳酸鉀和過氧化氫制取氧氣的裝置和反應(yīng)式，再介紹氯酸鉀制取氧氣的反應(yīng)式。

2 三種物質(zhì)制取氧氣的成本對比

我們從黔東南州凱里市化學(xué)試劑與儀器專賣門市部了解到，一般用于中學(xué)化學(xué)實驗室制取氧氣的有關(guān)物質(zhì)的化學(xué)純試劑價格（不同時期、不同商家的價格可能有一些差異）情況是：高錳酸鉀（500g）50元、氯酸鉀（500g）32元、過氧化氫溶液（30%、500mL）9.8元、二氧化錳（500g）58元。我們以生成32g氧氣所需要的反應(yīng)物價格進(jìn)行比較。

一般使用二氧化錳是氯酸鉀的三分之一[10]，因此，消耗二氧化錳的價格是：

81.7÷3×58÷500=3.2（元）

用氯酸鉀與二氧化錳制取氧氣總的價格是：5.2+3.2=8.4（元）。

2.3 過氧化氫與二氧化錳制取氧氣的價格

一瓶500mL過氧化氫溶液的質(zhì)量大約是555g，所含H2O2的質(zhì)量為：

由于每次只需要在錐形瓶中放入少量二氧化錳[11]，我們可以假設(shè)制取1L氧氣需要消耗大約1.0g二氧化錳，則消耗二氧化錳的價格為：

22.4×58÷500=2.6（元）

則用過氧化氫與二氧化錳制取氧氣的總價格為：4.0+2.6=6.6（元）。

制取32g氧氣的價格對比是：

KMnO4 31.6元>KClO3 8.4元>H2O2 6.6元。

當(dāng)然上述價格計算沒有包括消耗酒精加熱所需要的費用，在具體操作中，由于浪費等原因，實際制取氧氣的價格要高一些。

3 三種物質(zhì)在制取氧氣實驗中存在的問題

高錳酸鉀、氯酸鉀與過氧化氫三種物質(zhì)在實驗室制取氧氣中各有特色，下面分別分析。

3.1 高錳酸鉀制取氧氣的問題

高錳酸鉀制取氧氣時需要加熱；高錳酸鉀粉塵容易進(jìn)入導(dǎo)管；需要藥品數(shù)量多而產(chǎn)氧率低；產(chǎn)物中二氧化錳可以回收，而錳酸鉀在中學(xué)實驗室中沒有用途，難以回收，只能排放，容易造成環(huán)境污染；高錳酸鉀加熱時腐蝕試管使其變黑，不容易清洗，需要草酸溶液等浸泡一段時間才能脫色，黑色沒有了，但是試管的透明性變差了，一支試管使用幾次后就幾乎報廢了。

另外，師生在使用高錳酸鉀晶體時，不可避免地掉落少許晶體在實驗臺上，由于高錳酸鉀的強氧化性和顏色深等特點，接觸毛巾、皮膚、衣服都會留下灰黑色的痕跡，因此，高錳酸鉀晶體粘附到哪里就黑到哪里。使用高錳酸鉀晶體制取氧氣實驗結(jié)束后，實驗臺上的新抹桌帕經(jīng)常染上黑斑，一些學(xué)生手上的皮膚也被腐蝕產(chǎn)生了黑點，這些黑點是難以洗掉的，要等到新皮膚長出來后才會自然脫落，給學(xué)生留下了一些化學(xué)實驗很危險的陰影。

3.2 氯酸鉀制取氧氣的問題

氯酸鉀制取氧氣時需要加熱；需要事先與二氧化錳混合均勻才能夠使反應(yīng)完全，操作稍微復(fù)雜一點；制得的氧氣中存在異味；反應(yīng)后的氯化鉀與二氧化錳如果不能進(jìn)行分離回收，就會造成環(huán)境污染。

3.3 過氧化氫制取氧氣的問題

過氧化氫制取氧氣時不用加熱，操作比較簡單方便；制得的氧氣沒有異味，反應(yīng)產(chǎn)物是水和氧氣，實驗結(jié)束后，二氧化錳只需要過濾、干燥就可以回收而不會造成環(huán)境污染。但是，反應(yīng)速率不好控制，濃度低了反應(yīng)較慢，濃度高了反應(yīng)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(zhì)實驗效果。

4 使用三種物質(zhì)的安全性比較

4.1 高錳酸鉀晶體

高錳酸鉀是強氧化劑，遇濃硫酸、銨鹽能發(fā)生爆炸，遇甘油能引起自燃。與有機物、還原劑、易燃物（如硫、磷等）接觸或混合時有引起燃燒、爆炸的危險。因此，使用高錳酸鉀加熱制取氧氣時，必須把試管清洗干凈。

高錳酸鉀有毒，且有強腐蝕性，皮膚接觸后會被灼傷呈棕黑色。高錳酸鉀純品致死量約為10g [12]，是公安部門管控的危險物品。

4.2 氯酸鉀晶體

氯酸鉀是強氧化劑，與硫、磷、碳等還原性物質(zhì)及有機物、可燃物混合時，經(jīng)摩擦或撞擊后就會發(fā)生燃燒和爆炸，甚至?xí)霈F(xiàn)自發(fā)性的爆發(fā)。需要特別注意的是，氯酸鉀和磷（無論是哪種形態(tài)的磷）混合稍微摩擦，就有猛烈爆炸的危險。因此，使用氯酸鉀加熱制取氧氣時，必須把試管清洗干凈，不能混有易燃物品。

氯酸鉀有毒，能使血紅蛋白變性并分解，誤食會引起急性中毒，致死量為10g [13]。

4.3 過氧化氫溶液

高濃度過氧化氫有強烈的腐蝕性，吸入其蒸氣或霧對呼吸道有強烈的刺激性。眼睛直接接觸液體可致不可逆損傷甚至失明。口服中毒出現(xiàn)腹痛、胸口痛、呼吸困難、嘔吐、一時性運動和感覺障礙、體溫升高，個別病例出現(xiàn)視力障礙、癲癇樣痙攣、輕癱等[14]。

過氧化氫的沸點是151.2℃，比水高得多。實驗室一般使用的是30%過氧化氫溶液，濃度不是很高，通常是在稀釋以后使用的，相對比較安全。

4.4 二氧化錳

二氧化錳屬于兩性氧化物，它是一種常溫下非常穩(wěn)定的黑色粉末狀固體。二氧化錳中錳元素處于中間價態(tài)，因此它遇強氧化劑時表現(xiàn)為還原性，遇還原劑時表現(xiàn)為氧化性，在酸件介質(zhì)中是一種強氧化劑。在氯酸鉀和過氧化氫的分解反應(yīng)中作催化劑。

二氧化錳屬于一種氧化劑，自身不燃燒，但能夠助燃，因此不要和易燃物放置一起。二氧化錳吸入及吞食無害，但是要避免接觸眼睛[15]。

5 實驗室制取氧氣問題的討論與建議

5.1 使用三種物質(zhì)制取氧氣實驗問題比較

（1）從制取得到的氧氣價格上看，用高錳酸鉀晶體分解制取氧氣價格是最高的，大約是氯酸鉀制取氧氣的3.8倍，是過氧化氫制取氧氣的4.8倍。

（2）從制取得到的氧氣純度看，用高錳酸鉀晶體分解制得的氧氣容易帶有KMnO4粉塵，但是沒有異味；用氯酸鉀制得的氧氣稍有異味；過氧化氫制得的氧氣用排空氣法收集時，有較多的水蒸氣。

（3）從制取操作難易程度看，高錳酸鉀分解與氯酸鉀分解都需要加熱，實驗操作基本相當(dāng)，比過氧化氫分解的實驗操作稍微復(fù)雜一些。

（4）從實驗后整理來看，用高錳酸鉀晶體加熱的試管不能直接清洗干凈，必須用草酸等溶液浸泡一段時間才能清洗干凈，試管透明度已經(jīng)變差，抹桌布、皮膚等遇到KMnO4會產(chǎn)生黑色斑點。使用氯酸鉀分解與過氧化氫分解后儀器整理和清洗都比較容易。

（5）從安全的角度看，高錳酸鉀是公安部門管控的危險物品，是強氧化劑和易爆物品，儲存和使用都必須十分小心，而且有毒，誤食容易造成生命危險。氯酸鉀也是強氧化劑和易爆物品，儲存和使用都必須十分小心，而且也有毒，誤食容易造成生命危險。過氧化氫也是氧化劑，具有較強的腐蝕性，實驗室一般使用的是30%過氧化氫溶液，濃度不是很高，相對而言比較安全。

（6）從環(huán)保的角度來看，高錳酸鉀分解生成的錳酸鉀在中學(xué)實驗室中沒有用途，難以回收，只能排放，容易造成環(huán)境污染。而氯酸鉀分解生成的氯化鉀如果回收作為鉀肥，就可以消除污染。過氧化氫分解生成水，沒有污染。

（7）從能源消耗來看，工業(yè)上生產(chǎn)三種物質(zhì)時都消耗電能[16]。高錳酸鉀分解和氯酸鉀分解都需要提供熱量才能得到氧氣，需消耗能源。過氧化氫的分解不再消耗能源。

（8）從資源消耗來看，高錳酸鉀的生產(chǎn)要消耗鉀礦和錳礦，氯酸鉀的生產(chǎn)要消耗鉀礦。過氧化氫的生產(chǎn)，幾乎不消耗重要的礦產(chǎn)資源。

5.2 實驗室制取氧氣的建議

基于以上八個方面的討論與比較，我們提出幾點建議：

（1）教師演示實驗和學(xué)生實驗中用于氧氣性質(zhì)實驗的大劑量氧氣，盡量采用過氧化氫分解來制取。

（2）作為初中生重要的“知識與技能”，固體加熱制氧氣的方法教科書必須介紹，但是重點使用的藥品應(yīng)該是氯酸鉀而不是高錳酸鉀。沒有特殊情況，應(yīng)該盡量避免使用高錳酸鉀來制取氧氣。氯酸鉀制取氧氣時，可以采用0.1%左右的氫氧化鈉溶液進(jìn)行排水法收集或讓氧氣通過堿石灰來消除異味。

（3）中考命題要避免考高錳酸鉀制取氧氣的操作問題，以配合教科書編排與教師的教學(xué)安排，因為考試是指揮棒，有考必教。

6 結(jié)束語

通過綜合對比與評估，毋庸置疑，在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中，使用過氧化氫分解制取氧氣是一種綠色、高效、安全、節(jié)能、經(jīng)濟的好方法。無論中學(xué)化學(xué)教科書編寫專家、中學(xué)化學(xué)教學(xué)研究人員或者一線的中學(xué)化學(xué)教師都應(yīng)該大力推薦和使用這個方法，盡量避免使用產(chǎn)率低、有危險、高污染、高能耗的高錳酸鉀分解制取氧氣法。培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保、節(jié)能意識要從一點一滴抓起，課堂教學(xué)是主渠道，我們化學(xué)教育工作者具有不可推卸的責(zé)任。

參考資料：

[1]中華人民共和國教育部制定.全日制義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗稿）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2001.

[2][10]程名榮主編.九年義務(wù)教育三年制初級中學(xué)教科書·化學(xué)（全一冊）[M].北京：人民教育出版社，2001：15～17.

[3]中華人民共和國教育部制定.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[4]畢華林，盧巍主編.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級）（上冊）[M].濟南：山東教育出版社，2012：88.

[5][11]沈怡文，陳德余主編.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級）（上冊）[M].北京：科學(xué)普及出版社，2012：36～37.

[6]宋心琦主編.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級）（上冊）[M].北京：北京出版社，2013：32～33.

[7]王晶，鄭長龍主編.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，2012：128～129.

[8]江琳才主編.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級）（上冊）[M].北京：科學(xué)出版社；廣州：廣東教育出版社，2012：37～39.

[9]王祖浩，王磊主編.義務(wù)教育教科書·化學(xué)（九年級）（上冊）[M].上海：上海教育出版社，2012：35～37.

[12]高錳酸鉀_百度百科[DB/OL]. http：//baike.baidu. com/view/846.htm？fr=aladdin.

[13]氯酸鉀_百度百科[DB/OL]. http：//baike.baidu. com/view/1820.htm？fr=aladdin.

[14]過氧化氫_百度百科[DB/OL]. http：//baike.baidu. com/view/123617.htm？fr=aladdin.

[15]二氧化錳_百度百科[DB/OL]. http：//baike.baidu. com/view/213848.htm？fr=aladdin.

[16]潘國榮. KMnO4、KClO3與H2O2的用途與工業(yè)生產(chǎn)法[J].中學(xué)化學(xué)，2014，（9）：10～11.