求真务实 事必躬亲——对过氧化氢与二氧化锰反应制取氧气实验的探讨

卞万国

（江苏省盐城市城南新区伍佑初中 江苏 盐城 224041）

初中化学实验知识点零碎而复杂，化学实验过程中的不确定因素很多， 对于各类实验我们教师要亲历亲为，力争把效果较好的实验呈现给学生。 因为较好效果的实验往往在于教师的反复实践后，才可能探索到。

请看一道实验探究题，无论是人教版义务教育课程标准实验教科书 《化学》 九年级上册43 页习题的第5题；还是最新的人教版义务教育教科书《化学》九年级上册42 页练习与应用的第4 题， 都编排了下面这个实验探究题：

利用下列所示的仪器、药品（及其他必要物品）进行实验并探究。

（1）“把二氧化锰加入装有过氧化氢溶液的试管中”与“把过氧化氢溶液缓缓加入盛有少量二氧化锰的试管中”的实验现象是否相同？ 哪种方法可以得到平稳的氧气流？

（2）设计制取氧气和试验其性质的实验方案（下表可供参考， 你也可以利用一些其他代用品自行设计其他方案），征得老师同意后实施你的方案，实验后进行小结。

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对于这个题目的解答有如下几种：

人教版《化学教师教学用书》九年级上册58 页是这样描述的：

（1）此题引导学生思考如何得到平稳气流，为第（2）题做些准备。

（2）这是一道探究活动习题，综合有关氧气知识进行复习。 这样的习题将会在培养学生创造力方面起一定作用。

用氧化铜、氧化铁、红砖粉末等都可以代替二氧化锰作催化剂使过氧化氢溶液分解。 学生也可以再试一试其他什么物质可以作这一反应的催化剂。

把催化剂放在试管里，塞好带有导管的瓶塞（应为橡皮塞， 图中没有瓶子， 只有试管和具支试管—笔者注），用注射器通过导管向内逐滴加入过氧化氢溶液，可以得到平稳的气流，同时也便于收集。

学生设计的方案可能是多种多样的，对此教师应予以鼓励。 对于不正确或可能不成功的方案，只要没有危险，教师也应让学生试一试。 学生会从探索中体验到成功的经验或获得失败的教训。 只要学生积极思考了，认真去做了，在这个过程中一定会有收获的。

提供的表格仅供参考， 学生可以自行设计实验目标、方案、步骤等。 但设计好后，应由教师审查后再实施。

我以前对这一题的理解是：按照上面的提示得出第（1）题中“把过氧化氢溶液缓缓加入盛有少量二氧化锰的试管中”（以下简称“前者”）比“把二氧化锰加入装有过氧化氢溶液的试管中”（以下简称“后者”）产生的氧气流平稳，从而启发学生在第（2）题中选出用注射器通过导管向具支试管内逐滴加入过氧化氢溶液，可以得到平稳的气流，同时也便于收集。

网上（包括一些“名师工作室”）对此题的第（1）小题的回答也有多种答案：

甲答案：“如果两次所用两种物质的量一样的话，现象相同（都是剧烈放出气体）。 实验室制取应该向MnO2中加入H2O2液体，要多少加多少，如果加得均匀稳定，那么气体也是均匀稳定的。 ”

乙答案：“如果把二氧化锰加入过氧化氢前，过氧化氢就已经反应生成少量氧气。 加入过氧化氢就会引起快速的剧烈反应，直到过氧化氢全部反应为止，故无法控制反应速度。 由于以上两点原因氧气流不平稳。 当把过氧化氢加入二氧化锰的时候， 反应前试管中没有氧气。加入过氧化氢时，由于可以控制加入的速度，就可以使其较慢反应，以得到平稳的氧气流。 ”

这个答案对前者的分析语言逻辑混乱，按照对后者的分析，我推测前者应这样说才比较通顺：在把二氧化锰加入过氧化氢前，过氧化氢在试管里就已经缓慢反应生成少量氧气。 加入二氧化锰后就会引起快速的剧烈反应，直到过氧化氢全部反应为止，故无法控制反应速度。由于以上两点原因氧气流不平稳……

丙答案：“当然是后者了。 后者试管中过氧化氢一边被消耗，一边被增加，其量一直可以控制为几乎不变，二氧化锰的量也不变，所以氧气流比较平稳；前者过氧化氢的量一直在减少，二氧化锰的量一直在增加，氧气流当然不会平稳了。 再说，“把二氧化锰加入装有过氧化氢的试管中”，你是要加多少二氧化锰啊？ 那是催化剂，加一点点就可以了，实际操作中，就是一勺加完了。 ”

丁答案：“现象不一样。 前面方法反应更剧烈，因为反应物更多（二氧化锰是催化剂），所以刚开始氧气大量放出（很激烈），最后到过氧化氢浓度低时就慢了。 后面方法过氧化氢慢慢加入，每次滴入浓度差不多，就可以得到平稳的氧气流。 量少与催化剂接触面积小，所以反应放出气体速率较慢。 ”

……

总的来说， 大家都倾向于前者反应速度开始非常快，而且反应速度很快变慢，氧气流不稳定，不易控制和收集；后者可以做到使氧气流平稳，便于收集。 说实话，我也是一直这么认为的，因为我没做过这样的实验。 直到有一次学校化学兴趣小组一位同学向我问了这一题，我当时心血来潮，给他来个“实践出真知”吧！ 心想反正实验挺简单的，也没什么危险，不怎么费事。 于是我把他领到实验室，找出药品和仪器，让他自己动手做一做。

他在那里做实验，我就在旁边看着，做“把二氧化锰加入装有过氧化氢溶液的试管中”的实验时，我看到他把一支试管正插在试管架上的孔中，向试管里倒入适量的过氧化氢溶液， 再向试管内加入少量的二氧化锰，二氧化锰刚加入的瞬间反应剧烈，有大量水雾和氧气从试管中冲出，他吓了一跳，说了句：“乖乖，这么猛啊！ ”过了约两三秒钟反应稳定了下来，这时观察到仅在溶液的上半部分二氧化锰粉末上下翻滚、反应快速，下半部分溶液依然澄清且风平浪静，后来二氧化锰粉末逐渐慢慢向下扩散，反应速度较快且稳定，持续了大约两分钟左右，反应才逐渐停止。 接下来做“把过氧化氢溶液缓缓加入盛有少量二氧化锰的试管中”， 我看到他往另一支试管中加入少量二氧化锰， 然后试管正插在试管架上的孔中，打开盛过氧化氢溶液的试剂瓶盖，向试管中缓慢地倒入过氧化氢溶液，没料到的事情发生了，加入的液体混合着黑色粉末一起冲出试管溅在那位学生的衣服上、手上，连脸上也有大大小小的黑斑了。 这下他被吓了一跳，但没哭，他说：“这东西还发烫啊！”我赶紧把他拉到水池边洗去脸上、 手上的污物……看这实验探究哪里是“实践出真知啊”，是我出糗出大发了！

后来我自己做了几次实验，改变了过氧化氢溶液的浓度、改变了二氧化锰的量，实验结果仍然是前者反应速度较稳定，后者反应速度变化起伏很大，不易控制。 我心里想：到底是自己实验设计有问题，还是书上的结论有问题呢？ 正好赶上暑假闲来无事，我重新设计了实验，并把实验过程用相机拍了下来，来和专家、教授交流探讨。 由于所拍视频容量较大，上传困难，所以这里我只能描述实验现象了，敬请谅解！

本次实验我设计了两部分：

一、不同浓度的过氧化氢溶液与二氧化锰作用

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实验现象描述：

第一组实验中，右边的试管二氧化锰刚加入的瞬间反应剧烈，有大量水汽和氧气从试管中冲出，过了约两三秒钟反应稳定了下来，这时观察到二氧化锰粉末就在溶液的上半部分上下翻滚，快速反应。 下半部分溶液依然澄清且风平浪静， 后来二氧化锰逐渐慢慢向下扩散，反应速度较快且稳定，持续三分四十秒后，反应速度明显减慢，四分钟后反应逐渐停止。 左边的试管，刚开始倒入过氧化氢溶液反应剧烈，固、液混合物差点冲出试管，停止倾倒后反应很快停止， 再倾倒反应还是很剧烈，我用了近一分钟将10mL 液体断断续续倾倒完， 反应在一分三秒后逐渐停止。

第二组实验中， 右边试管中二氧化锰刚加入的瞬间反应也很剧烈，有大量水汽和氧气从试管中放出，但反应很快稳定了下来， 观察到二氧化锰还是仅在溶液的上半部分上下翻滚、反应，下半部分溶液依然澄清平静，后来二氧化锰逐渐慢慢向下扩散，反应速度较快且稳定，持续二分十秒后，反应速度明显减慢，二分三十秒后反应逐渐停止。 左边试管中，开始倒入过氧化氢溶液反应剧烈，有大量气体和水汽冲出试管，停止倾倒后反应很快停止，再倾倒反应还是很剧烈，我用了约四十五秒钟将10mL 液体断断续续倒完，反应在一分十秒后逐渐停止。

第三组实验中，右边试管中二氧化锰刚加入的瞬间反应很快， 有较多水蒸气和氧气从试管中放出，随即反应稳定了下来，这时观察到二氧化锰就在溶液的上半部分上下翻滚，反应较快进行，下半部分溶液依然风静，后来二氧化锰也逐渐慢慢向下扩散，反应速度较快且稳定，持续一分二十秒后，反应速度明显减慢，一分二十五秒后反应逐渐停止。 左边试管中，刚开始倒入过氧化氢溶液反应很快， 我用了约四十秒将10mL 液体断断续续倒完，反应在五十秒后变慢，一分五秒后逐渐停止。

通过这三组实验可以看出，“把二氧化锰加入装有过氧化氢溶液的试管中”比“把过氧化氢溶液缓缓加入盛有少量二氧化锰的试管中”反应持续时间长，产生的氧气流稳定。 分析原因，我认为二氧化锰粉末颗粒很细，与过氧化氢溶液的接触面积很大。 把少量二氧化锰直接加入到过氧化氢溶液中，刚开始时，由于表层过氧化氢溶液与二氧化锰先接触，所以反应剧烈，放出氧气的同时产生大量水雾。 随着二氧化锰粉末进入溶液内部，氧气在二氧化锰颗粒表面生成， 而二氧化锰颗粒很小，表面附着的气泡使二氧化锰颗粒的浮力增加，二氧化锰颗粒向溶液表面运动，附着的气泡脱离二氧化锰颗粒表面而逸出溶液，二氧化锰颗粒的浮力减小，在溶液中又向下运动，这样周而复始。 所以我们就看到反应速度很快稳定下来，二氧化锰在溶液的上半部分上下翻滚，且不会很快下沉到底。 随着反应的进行，溶液上半部分的过氧化氢被消耗，过氧化氢浓度降低，产生的氧气不足以使所有二氧化锰颗粒仍然停留在溶液的上半部分，就有一部分二氧化锰颗粒在重力的作用下就向溶液的深处运动，那里二氧化锰与浓度较高的过氧化氢溶液反应而产生较多的氧气。 从而使二氧化锰颗粒就像运送氧气的“小车” 继续在溶液里上下往复运动， 由于运送氧气的“小车”数量是一定的，所以单位时间内，运送氧气的量基本恒定，反应就这样一直持续着，直至“小车”布满了整个过氧化氢溶液一段时间后，氧气的量随着过氧化氢即将消耗完而很快减少。

而“把过氧化氢溶液缓缓加入盛有少量二氧化锰的试管中”，情形则大不相同。 首先“把过氧化氢缓缓加入”的倾倒速度就难以控制，即使让溶液沿着试管内壁呈一条线的流入试管内，试管底的二氧化锰粉末还是会飞起来。 其次无论过氧化氢浓度大小，刚开始倒入的过氧化氢溶液量稍微多一点，反应都会非常剧烈，甚至加入的溶液大部分还没来得及反应就连同氧气、水汽一起冲出试管。 这是因为二氧化锰粉末和过氧化氢溶液下表面接触的瞬间，反应速度非常快，这些运送氧气的“小车”根本来不及运动到溶液表面，它们就在原地“卸下”运送的氧气，导致溶液底部气体压强瞬间增大，气体膨胀，这样氧气裹挟着液体、粉末一起向上冲。 在没有液体流下或滴下时，反应又很快停止。 最后在实验过程中，大部分二氧化锰粉末一直停留在试管内液体的底部，加入新溶液后，这些二氧化锰“小车”依然在原地“卸下”运送的氧气，这样反应就在时断时续中进行，而且当把溶液全部加入后反应也很快停止了。

二、用注射器与广口瓶组合和用气体简易发生装置制取氧气的比较

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综上所述，我认为用过氧化氢溶液，二氧化锰做催化剂制取氧气最好选用简易发生装置，还要先加入过氧化氢溶液，后加入少量二氧化锰，这样反应持续时间较长，氧气流稳定，方便收集气体，实验由一人即可完成；而把过氧化氢溶液加入二氧化锰中， 氧气流不稳定，不便于收集氧气，即使使用注射器、长颈漏斗等与试管、广口瓶、锥形瓶等装置组合也不能取得较好的实验效果。

以上是本人的一些拙见，恳请专家、教授批评指正，提出更好的建议，使我们化学实验教学进行得更有效。

［1］ 课程教材研究所化学课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书·化学九年级上册［M］.北京：人民教育出版社，2010

［2］ 课程教材研究所化学课程教材研究开发中心.义务教育教科书·化学九年级上册［M］.北京：人民教育出版社，2012

［3］ 课程教材研究所化学课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书·化学九年级上册教师教学用书［M］.北京：人民教育出版社，2010