手持技術在中學化學實驗中的應用與案例開發

陳偉強

【摘要】本文通過利用手持技術設計實驗室制取氧氣的實驗，測定了雙氧水分別在二氧化錳粉末和二氧化錳塊狀負載催化劑的條件下發生分解反應制取氧氣。通過比較試管內溫度隨時間的變化，讓學生更直觀地認識到改變溶液和催化劑的接觸面積，可以控制反應與速率。在實驗過程中，利用手持技術監測反應過程幫助學生更好地學習與吸收相關化學知識。

【關鍵詞】中學化學;手持技術;催化劑;反應速率;溫度傳感器

一、教材分析

《制取氧氣》是人教版九年級化學教材中第二單元教材內容，主要有“氧氣的制取和性質”“二氧化碳的實驗室制取與性質”這兩個實驗活動。而氧氣也是中學生從化學性質中學習到的第一個物質。經過前期的學習后，學生也了解了氧氣這個生活中必不可少的物質。而制造氧氣，也是中學化學學習過程中的首個制備氣體實驗活動，這個實驗也為接下來其它氣體的學習打下牢固的基礎。所以，在化學教學活動中，制取氧氣的地位較高。在本節課的教學活動過程中，教師也要精心準備實驗教學活動，在課堂演示中積極引導學生參加教學活動，提高學生的實驗能力和化學素養。

二、學情分析

（一）教學目標

1.知識和技能

通過本節課的學習，掌握手持技術溫度傳感器的應用，了解溫度傳感器的優勢。

2.過程與方法

在學習過程中掌握制取氧氣的不同方法，了解不同方法的優點和不足之處。

3.情感態度與價值觀

在改進雙氧水的過程中制取氧氣，切身體會化學知識與實際生活之間的聯系，然后學習如何用溫度傳感器檢測改進，最后，在小組合作探討中完成實驗，體會合作學習的意義。

（二）教學重難點

1.教學重點：通過本節課的學習，掌握手持技術溫度傳感器的應用，了解溫度傳感器的優勢。

2.教學難點：在學習過程中掌握制取氧氣的不同方法，了解不同方法的優點和不足之處。

三、實驗步驟

（一）課前學習——了解手持技術

在正式實驗之前，通過訪談，筆者發現大部分學生都不了解手持技術，也沒有使用過。所以，在實驗之前，筆者專門花了一節課的時間向學生介紹了手持技術的相關知識，其中，包括了手持技術概念、手持技術相關實驗活動等。通過一節課的介紹，學生已經對手持技術有了初步的了解和掌握。

（二）情境導入

教師假設情境：當實驗室內存在制取氧氣不足情況。

師：同學們，你們知道制取氧氣都有哪些方法嗎？

學生自主思考、小組探討不同的制取氧氣方法，然后從價格、資源再利用等方面確定制取氧氣方法。

（三）回顧知識

教師引導學生將制取氧氣的三種方法書寫在黑板上：高錳酸鉀制取氧氣、二氧化錳分解雙氧水制取氧氣、加熱氯酸鉀制取氧氣。

學生思考三種方法的優缺點，然后從操作簡單、安全、環保等方面考量，選擇了分解雙氧水制取氧氣。該方法操作比較簡單，而且節能環保，可以節約時間和原料。

在知識的回顧中，可以引導學生深入發掘教材知識，并探討其中的不足之處。

（四）實驗探究

1.實驗儀器與藥品

（1）實驗器材：威尼爾數據采集器（圖1）、威尼爾溫度傳感器（圖2）、怡寶礦泉水瓶、蒸發皿、剪刀、酒精燈、玻璃棒、導管、紙槽、試管、試管夾等。

（2）實驗藥品：二氧化錳粉末、5%過氧化氫溶液。

2.實驗步驟

（1）制作二氧化錳塊狀催化劑：首先，將礦泉水瓶剪成小碎片，然后將其放在蒸發皿上，利用酒精燈加熱至其融化，融化后停止融化，并撒上一層二氧化錳粉末。等其開始固化后，用礦泉水瓶蓋按壓粉末，吸附牢固。待其冷卻后，去除未吸附的二氧化錳粉末，并將其剪成細塊，這就是二氧化錳塊狀負載催化劑。

（2）制取氧氣：在試管中放5個塊狀催化劑，然后倒入10毫升5%過氧化氫溶液。這時，塊狀催化劑的表面會出現很多氣泡，利用提放銅絲來控制反應速率，靜止2分鐘后收取氧氣。等反應結束之后，清洗、晾干塊狀催化劑，重復以上實驗步驟。

3.實驗數據及分析

（1）本次實驗載體是隨處可見的礦泉水瓶，瓶身材質是聚乙烯，可以將其制作成能吸附二氧化錳的塊狀負載催化劑（詳見圖3）。利用聚乙烯材質制作的催化劑可以防止在實驗過程中出現反應速率過快情況，也不會出現黑色渾濁液體（詳見圖4）。在實驗過程中，要注意等塊狀催化劑開始固化之后才能用瓶蓋按壓，而蒸發皿加熱后需要防止一段時間后才能用冷水清洗。

（2）利用啟普發生器控制反應速率，但是大部分初中生不熟悉啟普發生器，這也會在一定程度上增加實驗難度。在本實驗的操作過程中，可以利用光滑的粗銅絲將塊狀負載催化劑固定在前，然后穿進橡膠塞后搭建反應發生裝置（詳見圖5），利用手動提放銅絲可以更好地控制塊狀負載催化劑和過氧化氫溶液的接觸，然后再加強對反應的控制。需要注意的是，過氧化氫溶液即配即用，要保證銅絲可以穿橡膠塞，并在銅絲外層包裹住不與過氧化氫起反應的軟管。

（3）利用0.5g二氧化錳粉末與負載0.5g二氧化錳粉末的塊狀催化劑分別催化10毫升5%過氧化氫溶液，再利用手持技術隨時檢測實驗過程中的溫度變化情況（詳見圖6和圖7）。通過實驗結果可以看出，二氧化錳可以讓過氧化氫溶液快速分解，二氧化錳粉末的催化速度及反應速率非常快，在15秒左右完全反應。而二氧化錳塊狀負載催化劑的催化過程則較為平緩，在2分鐘左右完全反應。由此可見，利用粉末催化劑制取氧氣很難控制，反應速度過快且散熱過多，致使收集到的氧氣中水蒸氣過剩，反應現象也無法準確觀察。而塊狀負載催化器在制取氧氣的過程中，溶液和催化劑的接觸面積較小，可以更好地控制反應與速率，制取的氧氣也較為純凈，可以更好地開展課堂實驗教學。

（4）塊狀催化劑回收操作比較簡單，且能反復利用。反復利用完6次之后還有明顯的反應（詳見圖8），可以將使用過的負載催化器沖洗、晾干后妥善保管。

4.實驗結論

就安全、操作簡單、環保等方面來分析初中化學制取氧氣三種方法的好壞，選擇了分解過氧化氫來制取氧氣。將礦泉水瓶的聚乙烯材質剪碎當作載體來吸附二氧化錳粉末，將其制成塊狀催化劑。然后，利用塊狀催化劑催化過氧化氫，分解制成氧氣。在實驗過程中，利用手持技術監測反應過程，得出此方法有控制反應、操作簡單、可以反復回收利用的結論，可以幫助初中生更好地學習與吸收相關化學知識。

（五）小結反思

本次實驗較為安全，且操作簡單，也從根源上改變了大部分學生“只要能反應就可以做實驗原料”的這一理念。礦泉水瓶在生活中十分常見，但是將其黏附二氧化錳粉末，制成塊狀催化劑，會有效激發學生的學習積極性。在實驗過程中，利用手持技術來準確檢測反應中的溫度變化，也能幫助學生切身感受溫度傳感器的效果，并體會到和傳統一起相比，手持技術的優勢。就本次實驗教學而言，效果比較成功，學生的反饋也很好。

四、教學反思

在本節課的教學過程中，首先帶領學生學習、了解什么是手持技術，然后再在課堂上利用手持技術完成制取氧氣的實驗。在課后，筆者也進行了一下反思：

（1）學生在手持技術實驗活動中得到了明顯的發展。對于手持技術，大部分學生都是十分陌生的。但是，初中生的探索欲望較強，在學習中可以很快掌握手持技術的應用方法，也能在實驗中不斷提高學生的合作能力和實踐操作能力。在制取氧氣的實驗中，學生可以準確掌握化學和現實生活之間的緊密聯系，然后在猜測、質疑、實驗中求真。等到本次實驗結束之后，大部分學生都可以自主完成手持技術實驗。

（2）教師在手持技術實驗中活動中得到了明顯的提高。對于化學教師而言，除了要準確掌握教材中的理論知識外，還要有豐富的實驗知識素養。而在本次實驗活動中，筆者也和學生共同利用手持技術完成了制取氧氣的實驗，在加強對手持技術了解的同時，提高了自身實驗能力和教學水平。

本節課主要是利用手持技術開展的單一實驗，但是手持技術還有著豐富的教學資源，還需要教師深入地學習與探索，在接下來的化學課堂中，帶領學生深入地學習與了解，為學生接下來的化學學習奠基牢固的基礎。

責任編輯? 陳紅兵