双氧水制氧气并验证氧气性质实验一体化装置的新设计

周文荣　商兰芬

摘要： 在分析教材中“用双氧水制氧气”实验装置的地位、作用和缺陷的基础上，调研了一线教师对该实验改进的现状和发展趋势，立足于生活器材，完成“双氧水制氧气并验证氧气性质”一体化装置的制作及性质实验。从装置的便捷、药品的节约、反应的控制、产物的检验、尾气的处理、装置的多用等视角剖析装置设计的优点，为学生提供多种形式的实验体验，促进学生素养的发展。

关键词： 双氧水制氧气； 验证氧气性质； 一体化装置； 实验改进

文章编号： 10056629（2018）10006504中图分类号： G633.8文献标识码： B

“化学实验是进行科学探究的重要方式，学生具备基本的化学实验技能是学习化学和进行探究活动的基础和保证”[1]。教师积极探索课本实验的改进与创新，可以为学生提供多种形式的实验体验，让学生动手动脑，乐于探究，勤于反思，促进学生素养的发展。

1装置设计的缘起

1.1教材中实验装置

“氧气的制取和性质”是初中化学重要的基础实验之一，九年级化学教材（上海教育出版社，教育部2012年审定）中用双氧水制氧气的装置如图1[2]所示。教材中的实验装置是经典的固体和液体不需要加热的气体发生装置，其一方面是对实验室制氧气装置的补充和完善，另一方面承载着对“固液混合不需要加热”这一类气体发生装置模型分析、认知、建构的功能。

课堂学习中，探究氧气的性质需要制取较多的氧气，用图1装置存在以下一些缺陷：

（1） 随着反应的进行，生成的水越来越多，双氧水的浓度不断下降，反应速率会越来越慢，而反应装置不能及时排出废液。

（2） 不能控制反应的进行，催化剂一般不回收，造成药品浪费。

（3） 多个班级同时上课或同一教师连续上课时，需要准备多瓶氧气，给实验准备带来不便且搬移过程中容易逸散。

（4） 无法实现氧气制取和性质验证的连续进行。

1.2一线教师的研究现状

许多一线化学教师勇于实践，积极探索，对“双氧水制氧气并验证氧气性质”的实验装置进行了新的设计与改进，其主要的改进装置及优点见表1[3][4][5]。

1.3装置设计的发展空间

纵观上述创新设计，一线化学教师做了细致而又深入的研究，为后续研究提供了宝贵的学习经验和借鉴资源。同时，也给对“双氧水制氧气并验证氧气性质”实验的进一步研究留下了一定的发展空间。

（1） 上述装置相对比较复杂，大多用到玻璃仪器和铁架台，相对来说较重，搬移过程中容易破损。可在利用生活材料、使用轻便器材以及适合学生分组实验等方面作进一步改进。

（2） 上述装置在连续实验时的清洗、反应产物的检验以及尾气的处理等方面均可作进一步探索和研究。

2新装置制作的方法

2.1氧气发生装置的制作

利用某些生活器材制作的用双氧水制取氧气的发生装置如图2所示。取密封性好有杯盖的废弃塑料水杯，在杯盖上打孔，插入一根短玻璃管或硬塑料管。在塑料杯壁的左上方、右上方和右下方各打一个孔，分别插入一根输液管（长短可根据杯子大小和使用需要而定，其中输液管a事先穿一根细线），在输液管上装一个滴速控制器或弹簧夹，所有打孔处用玻璃胶密封，以防漏氣。

输液管a中细线连接可装固体的网兜，通过拉动细线和控制滴速控制器让固体与液体接触或分离；输液管b可以通过滴速控制器排除废液；输液管c可以在反应过程中及时添加少量液体反应物，大量的试剂可打开杯盖直接添加。

2.2氧气性质验证装置的制作

氧气性质验证装置的制作如图3所示，由两部分组成。取废塑料盒在底部中心打孔，孔的大小可让图2中玻璃管穿过，塑料盒的高度可根据需要自行裁剪，在塑料盒的底部右侧打孔，插入一根带有滴速控制器的输液管d，打孔处用玻璃胶密封，以防液体滴漏（以下称为盛液盘）。另取口径小于塑料盒的废弃塑料水杯，在底部打孔，孔径大小与后续要用的橡胶塞相匹配。

2.3一体化装置的组装

利用生活中器材制作的“双氧水制氧气并验证氧气性质”实验的一体化装置如图4所示。将塑料盒底部的孔穿过氧气发生装置杯盖上的玻璃管，用玻璃胶固定，将打过小孔的另一塑料水杯罩住氧气发生装置杯盖上的玻璃管。

3催化剂制作的方法

用双氧水制取氧气一般使用二氧化锰粉末做催化剂，反应速率较快但无法控制反应的停止，同时反应结束后二氧化锰粉末不易回收。参考其他文献，教师对催化剂的改进做了大量的研究。有教师用Al2O3或碎瓷片吸附通过化学反应后产生的MnO2制成载体催化剂[6][7]，但利用生活器材制作条件有限，操作相对复杂；也有教师把MnO2粘附在涂有502胶水的螺旋状铜丝上[8]，但502胶水有一定毒性，挥发后对环境有污染，且铜丝表面的氧化铜对探究催化剂的种类及催化效果有干扰；还有教师用生的马铃薯块做催化剂[9]，但反应速率相对较慢。

综合以上分析，本实验采用简单直接、操作简便的方法制作球状固体催化剂[10]，具体方法为： 取等质量的二氧化锰和水泥，加适量的水搅拌均匀，制成黄豆大小的球状固体颗粒，将硬化前的水泥球在二氧化锰粉末中滚动，表面粘附一些二氧化锰，待水泥完全硬化后备用。

4实验操作步骤和现象

利用此装置可完成氧气的制取及性质的验证等一系列连续实验。

（1） 往氧气发生装置的水杯中加入一定量的双氧水，松开系有网兜（内装混有二氧化锰的水泥球）的细绳，使两者充分接触。观察到水泥球表面产生大量气泡，罩上底部开孔的水杯，一段时间后用带火星的木条置于开孔上方，发现木条复燃。

（2） 在盛液盘中倒入一定量澄清石灰水，用镊子夹取一块木炭于酒精灯上灼烧至发出

微弱红光，然后伸入氧气流中发现木炭剧烈燃烧，发出白光，同时盛液盘中的石灰水变浑浊。打开输液管d的控制器，排出残液并用蒸馏水清洗盛液盘。

（3） 往盛液盘中加少量澄清石灰水，点燃置于燃烧匙中的蜡烛并伸入氧气流中，可以看到蜡烛燃烧得更为剧烈，同时石灰水变浑浊，上面的水杯内壁有水珠生成。

（4） 在盛液盘中再多加点水，在酒精灯上方点燃系于螺旋状铁丝底部的火柴梗，伸入氧气流中，可以看到铁丝剧烈燃烧，火星四射，生成的黑色固体掉落在盛液盘中。排出残液并清洗盛液盘。

（5） 往盛液盘中倒入少量高锰酸钾溶液，用带橡胶塞的燃烧匙取少量硫粉在空气中点燃，产生淡蓝色火焰，伸入氧气流中并塞紧橡胶塞，装置见图5。淡蓝色火焰变为明亮的蓝紫色，高锰酸钾溶液由紫红色变为无色。排出残液，并快速往盛液盘中加入足量氢氧化钠溶液以吸收装置中残留的二氧化硫气体。最后排出残液并清洗盛液盘。

5新装置设计的优点

（1） 装置轻便，使用方便。

利用一套装置完成了氧气的制取与氧气的性质系列实验，减少了课前收集多瓶氧气等重复性工作，使实验变得更简便，更高效。此装置的制作材料取材于生活，可以废物利用，而且所用材料大部分是塑料，质量较轻，所占空间不大，携带比较轻便。制作好后不需要经常拆卸，适合长期存放，可用于学生的分组实验。

（2） 反复利用，节约药品。

反应过程中实现双氧水与二氧化锰的分离，在进行下一个班级教学时，还可以继续使用，混有二氧化锰的水泥球稍作清洗可以循环使用。反应过程中双氧水浓度变小时，可以通过输液管b及时排出废液，从输液管c添加药品，减少了打开杯盖添加药品造成氧气的泄漏，大大节省了药品和时间。

（3） 产物检验，及时明显。

在盛液盘中添加检验产物的试剂，可以在反应时直接看到明显现象，既避免了反应后再去检验产物的繁琐，又可以让学生直观地感受新物质的生成。

（4） 尾气处理，绿色环保。

反应中产生的二氧化硫有毒气体，可以通过往盛液盘中加氢氧化钠溶液来直接处理，绿色环保，不污染空气。

（5） 控制反应，随制随停。

把二氧化锰与水泥制成球状固体颗粒装入网兜，通过拉动网兜上的细线，实現了随制随

停的目的。

（6） 迁移应用，装置多用。

该装置还可以用于其他固体与液体不需要加热的相关实验，如二氧化碳的制取与性质验证等，实现了一套装置多种用途。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准[S].北京： 北京师范大学出版社， 2012： 2，11.

[2]王祖浩主编.义务教育教科书·化学（九年级上册）[M].上海： 上海教育出版社， 2012： 10.

[3]杨林全.“氧气的制取和性质”实验的改进[J].实验教学与仪器， 2017，（11）： 27～28.

[4]唐永强.氧气的制取和性质实验创新[J].实验教学与仪器， 2016，（7/8）： 68～69.

[5]穆小艳，裴锐.初中化学实验器材的改进与创新研究——以氧气的制取和性质实验为例[J].化学教与学， 2016，（4）： 85～87.

[6]王胤琪.对二氧化锰催化过氧化氢制取氧气实验的改进[J].中小学实验与装备， 2013，（3）： 38.

[7]白林，陈媛.启普发生器中催化分解过氧化氢制取氧气[J].化学教育， 2014，（21）： 62～63.

[8]潘璞峻，向玲.二氧化锰催化过氧化氢制氧气实验改进[J].中学化学教学参考， 2016，（2）： 61.

[9]程胜富.氧气制取实验的改进[J].实验教学与仪器， 2009，（2）： 51.

[10]顾鸣英，丁伟.实验室用过氧化氢制取氧气方法的改进[J].化学教学， 2009，（10）： 19.