氧氣、二氧化碳制驗裝置一體化設計與探究

潘佳俐

摘要：利用自制的固液反應裝置、雙嘴抽濾瓶等實驗器材，對初中課本中氧氣、二氧化碳制取與性質檢驗實驗裝置進行了一體化設計和實踐探究。實踐表明，設計的一體化裝置使實驗現象更明顯、持續時間更長，有利于學生的觀察和體驗，提高了課堂教學效率。此外，該裝置制作成本低、功能多、應用廣、安全簡便，還解決了環保問題，體現了綠色化學理念等。

關鍵詞：氧氣；二氧化碳；一體化裝置

文章編號：1008-0546（2023）07-0094-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.019

在初中化學的學習中，研究物質的性質是一項重要任務，研究的方法包括觀察法、實驗法等。氧氣和二氧化碳是初中階段詳細研究的兩種氣體物質，因此在教學中不僅要讓學生掌握這兩種氣體的性質，還要讓學生體會到研究物質性質的方法。浙教版八年級下冊對這兩種氣體的教學是借助于實驗，引導學生觀察實驗現象，并通過對實驗現象分析，歸納出物質的性質。[1]

但在教學實踐中，我發現這兩個教材實驗存在一些不足。關于氧氣的實驗有以下不足：（1）需要在課前制備并收集數瓶氧氣備用，消耗大量的時間和精力。如果課堂現制現用，教學時間不夠影響教學進度；（2）集氣瓶中收集的氧氣有限，隨著實驗的進行，濃度不斷下降，導致實驗現象不明顯且持續時間短，學生來不及觀察；（3）硫在氧氣中燃燒生成的SO2未及時處理，污染大氣，影響師生健康；（4）粉末狀MnO2難以回收利用，不便用于驗證催化劑反應前后質量不變的性質。而關于二氧化碳的實驗也存在以下不足：（1）在對比CO2與空氣密度大小時，受氣流、儀器容積、操作等因素的影響很大，成功率不高；（2）書本未設置CO2與NaOH反應的實驗，但這個反應在初中化學中起著承上啟下的作用。近年來也有很多教師從實驗裝置、催化劑的種類、溫度、反應物濃度等方面對這兩個實驗進行了改進，[2-4] 但涉及到這兩個實驗裝置的一體化設計幾乎沒有。為此，我開展了氧氣、二氧化碳制取與性質檢驗裝置的一體化設計，并在新課和復習課教學中運用了該裝置，均取得了較好的教學效果。

一、實驗儀器和藥品

1. 實驗儀器

塑料瓶、短玻璃管、塑料羽毛球、雙嘴抽濾瓶、集氣瓶、燒杯、玻璃棒、酒精燈、燃燒匙、止水夾、橡皮管、橡膠塞、電子天平、注射器、氣球、蠟燭、橡皮筋、濾紙、鑷子、石棉網、火柴、小噴瓶等。

2. 實驗藥品

雙氧水、二氧化錳、水泥、木炭、硫粉、鐵絲、澄清石灰水、藍色石蕊試紙、石灰石、7.3%稀鹽酸、飽和氫氧化鈉溶液、25%鹽酸、蒸餾水等。

二、實驗原理

利用這套裝置我們可以制取并檢驗氧氣的化學性質，制取氧氣的化學反應方程式為“雙氧水（H2O2）MnO 2= 水（H2O）+氧氣（O2）”。再對比硫粉、木炭、鐵絲在空氣和在氧氣中燃燒的不同現象驗證氧氣的性質。我們還可以在反應前后稱取塊狀MnO2的質量，驗證催化劑反應前后質量不變的性質。該裝置還可以用來制取二氧化碳，化學反應方程式為“酸酸鈣（CaCO 3 ）+鹽酸（HCl） = 氯化鈣（CaCl2）+水（H2O）+二氧化碳（CO2）”，并驗證二氧化碳與水、氫氧化鈉、澄清石灰水等反應的化學性質，以及二氧化碳密度比空氣大的物理性質等。

三、實驗裝置

“氧氣制取與性質檢驗”常規裝置如圖1所示，改進裝置如圖2所示。

“二氧化碳制取與性質檢驗”常規實驗裝置如圖3所示，改進裝置如圖4所示。

四、操作要點

1. 自制固液反應器

第一步取兩個飲料瓶，一根短玻璃直管，將玻璃短管的兩頭放在火焰上加熱。加熱到一定程度后，在同一水平高度穿進兩個塑料瓶的瓶身，再在玻璃管和塑料瓶的間隙上涂上熱熔膠，使兩瓶靠近并擠壓，確保瓶子的密封性，最后左瓶瓶口上塞上帶導管的橡皮塞，如圖5所示。第二步是檢查裝置的氣密性，關閉止水夾，往右瓶中注水，若發現水不會流入左瓶，則證明氣密性良好。第三步是安裝多孔塑料板，這里我們非常巧妙地用塑料羽毛球代替了多孔塑料板，塑料羽毛球恰好能從瓶口放入瓶中，并且放進去以后會自然展開，而且塑料材質的羽毛球化學性質穩定，耐酸堿，不易和其他物質發生反應，最后用熱熔膠把它固定在瓶底中心。

2. 塊狀二氧化錳的制取

塊狀MnO2的制作方法是：用電子天平稱取一定量的二氧化錳和水泥，其質量比為4∶1，[5] 再加適量的水攪拌均勻，壓實壓平后切割成一塊錢硬幣大小的正方體，24小時晾干固化后再用水沖洗，最后晾干備用（如圖6所示）。用這種塊狀MnO2做催化劑，產生氧氣的速度適中，氣流平穩，且方便回收利用。

3. 氧氣制取和性質檢驗

按圖2連接好裝置，將塊狀MnO2放入羽毛球中，不要超過羽毛球的邊緣，塞上橡皮塞，往儲液瓶中倒入適量的 5%的 H2O2溶液，集氣瓶中裝入澄清石灰水。打開止水夾，待H2O2溶液流入反應瓶中與MnO 2接觸后，O2就平穩地產生了。過一段時間后，用帶火星的木條驗滿，木條復燃證明O2已集滿。接著用鑷子夾取一小塊木炭，放在酒精燈上灼燒，發現木炭在空氣中只能燒至發紅。再把木炭放入集滿O2抽濾瓶中，發現木炭劇烈燃燒，發出耀眼的白光。取出木炭，蓋上橡皮塞，隨后CO2排入集氣瓶中，澄清石灰水變渾濁。反應結束后把集氣瓶中的澄清石灰水換成NaOH溶液，一段時間后又開始驗滿。待帶火星的木條復燃后，再在鋪有細沙的燃燒匙里放入一定量的硫粉，放在酒精燈上加熱直至燃燒，發現硫在空氣中燃燒產生淡藍色的火焰。然后把燃燒匙伸入集滿O2的抽濾瓶中，發現硫劇烈燃燒放出大量熱并發出明亮的藍紫色火焰。此時關閉止水夾，待抽濾瓶冷卻后，集氣瓶里一部分NaOH溶液倒吸入抽濾瓶中，輕輕振蕩使SO 2被NaOH充分吸收。反應結束后又打開止水夾，繼續收集滿一瓶O2，此時取石棉網上的細鐵絲繞成螺旋狀，下端系上火柴點燃，待火柴將要燃盡時，立即伸入抽濾瓶中，發現鐵絲在O2中劇烈燃燒火星四射，產生大量熱，并生成一種黑色固體。整個過程中實驗現象穩定且持續時間長，如圖7所示。裝置一體化設計并結合實驗流程的優化，可以省略很多步驟，將整個實驗化繁為簡，大大地提高了教學效率。

4. 二氧化碳制取和性質檢驗

按圖4連接好裝置，將塊狀大理石放入塑料羽毛球中，塞上橡皮塞，往儲液瓶中加入適量的7.3%的稀鹽酸溶液。抽濾瓶中放入干燥的和濕潤的藍色石蕊小花并塞上橡皮塞，集氣瓶中裝入澄清石灰水。打開止水夾，讓稀鹽酸流入反應瓶中與大理石接觸。隨著CO2的通入，我們發現瓶中干燥的藍色石蕊小花沒有變色而濕潤的藍色石蕊小花變成了紅色，澄清石灰水也逐漸變渾濁，這說明CO2能與水反應生成碳酸，和澄清石灰水反應生成沉淀。接著用燃燒的木條驗滿，木條熄滅證明CO2已集滿，再把小氣球放入抽濾瓶中，關閉兩邊的止水夾。然后往抽濾瓶中先注入20 mL的蒸餾水，并輕輕振蕩，發現小花都變成紅色了，小球沒有變化。再注入20 mL的飽和NaOH溶液，小花又變成藍色，小球鼓起來了，接著輕輕振蕩，發現小球越鼓越大，這是因為NaOH能與CO2反應，使瓶內的氣壓快速下降。最后注入一定量的鹽酸，發現溶液中產生了大量的氣泡，小球又逐漸變扁了，這是因為HCl與生成的Na2CO 3 反應又產生了CO2，使瓶內氣壓增大，整個過程的實驗現象如圖8所示。反應結束后，再將發生裝置與自制的CO2密度檢驗裝置相連如圖9，比較CO 2和空氣密度的大小，我們發現蠟燭自下而上熄滅，說明CO2的密度比空氣大，CO2不燃燒也不支持燃燒。

五、改進優點

1. 自制的氣體制備裝置優點

材料易得、造價低，制作簡單、生活化；攜帶輕便、不易破損，可重復使用、安全性高；具有通用性，可用于O2、CO2、H2等初中常見氣體的制備；還能控制反應的發生和停止，一定程度上也能控制反應速率。

2. 氧氣制取與檢驗裝置的改進優點

MnO2制成塊狀以后有利于控制反應速率，還有利于回收再利用；用塊狀MnO2來驗證催化劑反應前后質量不變的性質，簡單方便；解決了多班上課問題，不僅節約了藥品也節約了實驗準備時間，提高了課堂教學效率；由于氧氣不斷地通入，抽濾瓶中的氧氣得到了充分補充，實驗現象能持續較長時間且現象明顯，有利于學生的觀察和體驗，激發學生的學習興趣；增加了尾氣處理裝置，防止有毒氣體SO2污染大氣，影響師生健康，體現了綠色化學理念，增強了學生的環保意識。

3. 二氧化碳制取與檢驗裝置的改進優點簡化了裝置，優化了流程，節約了藥品和時間，提高了課堂效率；用改進后的裝置驗證CO2的性質，對比性更強，成功率更高，并能更好地培養學生的證據推理能力；對比CO2與空氣密度大小的實驗，改進以后不再受氣流、儀器容積、操作等因素的影響，成功率幾乎百分之百；增加了CO2與NaOH反應，豐富了實驗內容，突出了教學重難點。

總的來說，氧氣、二氧化碳制取與性質檢驗的一體化裝置，材料易得，操作簡單，功能多，運用價值廣，能使實驗現象更明顯且持續時間長。利用該裝置可以讓學生體驗到整個實驗探究的過程，激發了學生的學習興趣。此外，這套一體化裝置綜合性非常強，不僅有利于培養學生的觀察能力，還有利于提升學生的實驗整合能力和創新意識。在今后的新課和復習課教學中，我們可以引入該裝置并結合課本實驗進行對比教學，激活學生的學習思維和分析綜合能力等。

參考文獻

[1] 朱清時. 義務教育教科書科學九年級上冊[M]. 杭州：浙江教育出版社，2014.

[2] 潘國榮. 實驗室制取氧氣方法的對比及建議[J]. 化學教育，2015（9）：45-47.

[3] 康澤偉. 氧氣制取與檢驗一體化裝置[J]. 教育與裝備研究，2021（3）：61-63.

[4] 顏燕. 二氧化碳制取與性質檢驗實驗分析和改進方略[J]. 現代鹽化工，2020（5）：36-38.

[5] 盧香宇. 過氧化氫制取氧氣的新方法[J]. 化學教育，2008（3）：9-10.