氧氣的制取與性質實驗創新

蔣麗萍 錢柳云

摘要：基于文獻查閱和實踐研究，對雙氧水制取氧氣與氧氣的性質實驗進行創新，從化繁為簡、裝置小型、提高效率、增強對比、方便推廣等角度進行了改進。力圖通過實驗培養學生的綠色化學意識、實驗探究素養，發展學生的對比分析、定性定量分析等學科思維。

關鍵詞：實驗改進;實驗一體化;氧氣濃度

文章編號：1008-0546（2021）04-0095-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.025

氧氣是《義務教育化學課程標準（2011年版）》中“身邊的化學物質”主題下“我們周圍的空氣”中的內容，氧氣的實驗室制取與性質是科學探究主題中學生必須完成的八個基礎實驗之一[1]。也是學生必須掌握的實驗之一，在整個初中化學中處于非常重要的地位。教材中以非金屬、金屬、有機物分別與氧氣的反應為例，通過分析歸納的方法認識氧氣的化學性質，幫助學生認識氧氣能跟許多物質發生氧化反應。教學中教師必須通過演示實驗幫助學生初步學習實驗室制取氧氣的方法，再要求學生自己動手進行實驗。在實驗中學生通過觀察實驗現象，比較不同物質在空氣、氧氣中的燃燒現象，歸納氧氣的化學性質。

一、創意來源

九年級化學教材（上海教育出版社，教育部2012年審定）中雙氧水制取氧氣所用的裝置是用錐形瓶和分液漏斗，組裝的固體與液體反應不需要加熱的氣體發生裝置，在驗證氧氣的性質時需要制取三瓶氧氣，在三瓶氧氣中分別完成木炭、鐵絲、蠟燭在氧氣中燃燒的實驗[2]。在實際教學中發現教材中的實驗有一些不足，如：藥品用量多、氣體制備量大、教師課前準備困難;無法實現氣體制取和性質驗證的連續進行;無法控制反應的開始和停止、無法連續多堂課教學;鐵絲、木炭不易點燃，現象不明顯;難以將二氧化錳粉末分離出來回收;隨著反應的進行，雙氧水濃度下降，不能及時排出液體等。

筆者查閱了文獻、學習了許多一線教師有關于“雙氧水制取氧氣”的發生裝置及性質實驗裝置的設計改進方案[3]。有些發生裝置雖能控制反應的開始和停止，及時排出液體，但裝置過于復雜，不便于推廣使用。塊狀二氧化錳催化劑制作相對繁瑣費時。性質實驗裝置無法進行多個性質實驗，性質實驗所需氧氣的量大，制備耗時較長。無法進一步探究氧氣的濃度對可燃物燃燒的影響，故不能幫助學生理解可燃物在氧氣中比在空氣中燃燒更劇烈[3]。基于以上情況，筆者對氧氣的制取發生裝置、性質實驗裝置及藥品進行整合、簡化、改進和創新，使制取和性質實驗一氣呵成。使裝置小型化，節約藥品，縮短實驗時間，提高課堂效率。在學習氧氣與木炭、鐵絲、蠟燭等反應的同時，探究氧氣濃度對可燃物燃燒的影響。幫助學生從定性、定量兩個角度學習了氧氣的化學性質。

二、實驗用品

儀器：簡易啟普發生器（125mL）、改裝平底燒瓶（50mL）、橡皮塞、導管、橡膠管、燃燒匙、鱷魚夾、棉花、打氣筒。

藥品：10%的H2O2溶液、MnO2（塊狀）、石英砂、酒精、木炭、細鐵絲、蠟燭。

三、實驗裝置

氣體發生裝置見圖1，用125mL簡易啟普發生器，簡單易得，價格便宜。性質實驗裝置見圖2、圖3，用50mL的平底燒瓶左右開孔，左側距離瓶底3cm處接小型干燥管，右側距離瓶底4cm處接支管作為性質實驗的容器，平底燒瓶的左側進氣口略偏下方，更有利于向上排氣的方式收集干燥的氧氣，右側出氣口連接導管可用于檢驗性質實驗的產物，操作方便，現象明顯。催化劑為塊狀固體二氧化錳，不用自制，在“淘寶”網站購買，也可以用水泥負載二氧化錳小球，學生分組實驗、多班進行，反復使用，方便快捷。這套裝置可以將氧氣的制取與性質實驗一體化，并可以連續進行多個性質實驗，及時檢驗產物。通過氣筒可快速、雙向地改變容器內氧氣的濃度，通過觀察木炭在不同濃度的氧氣中燃燒的現象進一步理解氧氣的濃度對可燃物燃燒的影響。

四、實驗原理

五、實驗步驟及現象

1.檢查裝置的氣密性

2.向啟普發生器上的氣體出口處加入塊狀二氧化錳（加固體前在容器的球體中放入橡膠墊圈，防止固體掉入半球體中），從球形漏斗口加入10%的過氧化氫溶液。

3.打開導氣管上的活塞，用帶火星的木條檢驗燒瓶中氧氣是否收集滿，然后連續完成氧氣的性質實驗。

（1）鐵絲在氧氣中燃燒

用編制石棉網的細鐵絲（無漆的）或編制紗窗用的細鐵絲代替市售的細鐵絲。把鐵絲盤成螺旋狀并在鐵絲下端綁一小團棉花，用鱷魚夾固定，將其伸入無水乙醇中，取出后在酒精燈上點燃，待即將燃盡時迅速將其伸入充滿氧氣且底部裝有石英砂的集氣瓶中（石英砂耐高溫，防止生成的黑色固體濺落瓶底使集氣瓶炸裂）。持續向瓶中提供氧氣，延長鐵絲燃燒時間，觀察燃燒現象。鐵絲劇烈燃燒，火星四射，放出熱量，生成黑色固體。

（2）蠟燭在氧氣中燃燒

在小燒杯中加入少量的澄清石灰水，在燃燒匙內放置一小段蠟燭，在空氣中點燃后，伸入充滿氧氣的燒瓶中，將右側導管伸入澄清石灰水中，觀察現象。觀察到蠟燭在氧氣中燃燒發出白光，放出熱量，燒瓶內壁有水霧，澄清石灰水變渾濁，證明蠟燭燃燒生成了二氧化碳和水。

（3）木炭在氧氣中燃燒

用鱷魚夾夾取一小塊木炭，在酒精燈火焰上灼燒至紅熱，立刻插人燒瓶中，將右側導管伸入澄清石灰水中。觀察到木炭燃燒發出白光，放出熱量，澄清石灰水變渾濁，證明木炭燃燒生成了二氧化碳。

（4）“木炭在空氣和氧氣中燃燒”對比實驗

打開止水夾，用氣筒從右側通入空氣，觀察減小氧氣濃度時木炭燃燒的現象，打開活塞通入氧氣，觀察增大氧氣濃度時木炭燃燒變旺的現象……反復操作，進行對比。

4.最后關閉活塞，固體與液體再次分離，反應停止。

六、設計特色

本實驗創新后可將氧氣的制取和性質實驗一體化，連續進行多個性質實驗，既可適用于教師多班進行課堂演示，也可作為學生的分組實驗。實驗的設計亮點主要有以下幾點：

1.北繁為簡：氧氣的制取和性質實驗一體化。實驗室制取氧氣氣體的發生裝置教材上是用試管或分液漏斗、長頸漏斗、錐形瓶作為發生裝置，無法控制反應的開始和停止，筆者改用簡易啟普發生器可以隨時控制反應的開始和停止，并隨著反應的進行，雙氧水濃度的下降可以及時排出液體。教材上氧氣的三個性質實驗需要提前先收集三瓶氧氣，再在三個集氣瓶中分別進行，筆者對性質實驗裝置的改進，改進后的容器可連續進行多個性質實驗，還能對比幾個燃燒實驗的現象。通過對比幫助學生體會氧氣的化學性質比較活潑，許多物質都能與氧氣發生反應。使學生學會用定性的方法研究氧氣的化學性質，促進了學科思維的培養。二氧化錳粉末不便于回收，筆者對藥品進行了改進，采用塊狀二氧化錳為催化劑、便于回收利用。塊狀可以適用于啟普發生器，可實現固體與液體的分離。塊狀二氧化錳便于反復使用，多班實驗，節約藥品，培養了學生綠色化學意識、幫助學生初步學會氧氣的實驗室制法和探究可燃物在氧氣中燃燒的現象，培養了學生科學探究的能力。

2.裝置小型：節約藥品，節省時間，提高課堂效率。用50mL的平底燒瓶代替原本200mL的集氣瓶，減少排出容器內空氣的時間，在一分鐘內可連續完成氧氣的三個性質實驗，縮短實驗的時間，更適合課堂演示與分組探究實驗。

3.提高效率：實驗的成功率提高，及時檢驗產物。木炭、鐵絲用鱷魚夾固定，操作簡單。用火柴引燃鐵絲難以控制伸入氧氣瓶內的時間，用蘸有酒精的棉花代替火柴引燃鐵絲，成功率更高，現象更明顯，也便于觀察生成的黑色固體。用導管連接燒瓶，檢驗木炭、蠟燭燃燒生成的二氧化碳，產物及時檢驗，現象明顯，讓學生更直觀地感受新物質的生成，培養學生的證據推理能力。

4.對比明顯：探究氧氣濃度對可燃物燃燒的影響。增加實驗內容：木炭在空氣和氧氣中燃燒對比。教材上指出“木炭在氧氣中燃燒比在空氣中燃燒劇烈，可燃物在氧氣中燃燒通常比在空氣中劇烈”[2]，通過打氣筒可快速、雙向改變容器中氧氣濃度、幫助學生進一步理解氧氣濃度對可燃物燃燒的影響，幫助學生初步學會簡單定量研究氧氣的化學性質，發展了學生對比實驗、定性、定量分析的學科思維。

5.較易推廣：實現一套裝置、多種用途、推廣使用。該裝置還可以用于其他固體與液體不需要加熱的相關實驗，如二氧化碳的制取與性質驗證等，實現了一套裝置多種用途，易推廣。身邊的化學物質氧氣、二氧化碳新課教學中教師演示實驗和學生分組實驗都可以選擇該裝置，幫助學生更好地掌握氧氣、二氧化碳氣體的實驗室制法的反應原理、實驗裝置和基本的操作技能，能通過實驗探究氧氣、二氧化碳的性質，認識科學探究的過程，形成基本的化學實驗操作技能。在復習氧氣、二氧化碳化學知識的過程中，便于學生分析、比較氧氣與二氧化碳的實驗室制法、性質的異同點，并能根據氣體的性質選擇實驗室制取的方法和裝置，認識實驗室氣體制取的一般方法，培養學生運用所學知識解決簡單化學問題的能力。增強了化學復習課堂上化學實驗的作用，讓復習課堂的效率提高，樹立學生對化學實驗的正確的態度。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012

[2]王祖浩.義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2012

[3]穆小艷，裝銳.初中化學實驗器材的改進與創新研究—以氧氣的制取和性質實驗為例[J].化學教與學，2016（4）：85-87

*本文系江蘇省教育科學“十三五”規劃立項課題：基于“生活即教育”思想的中學化學深度學習研究（立項編號：E-c/2020/05）階段性研究成果。

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