氧气、二氧化碳制验装置一体化设计与探究

潘佳俐

摘要：利用自制的固液反应装置、双嘴抽滤瓶等实验器材，对初中课本中氧气、二氧化碳制取与性质检验实验装置进行了一体化设计和实践探究。实践表明，设计的一体化装置使实验现象更明显、持续时间更长，有利于学生的观察和体验，提高了课堂教学效率。此外，该装置制作成本低、功能多、应用广、安全简便，还解决了环保问题，体现了绿色化学理念等。

关键词：氧气；二氧化碳；一体化装置

文章编号：1008-0546（2023）07-0094-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.019

在初中化学的学习中，研究物质的性质是一项重要任务，研究的方法包括观察法、实验法等。氧气和二氧化碳是初中阶段详细研究的两种气体物质，因此在教学中不仅要让学生掌握这两种气体的性质，还要让学生体会到研究物质性质的方法。浙教版八年级下册对这两种气体的教学是借助于实验，引导学生观察实验现象，并通过对实验现象分析，归纳出物质的性质。[1]

但在教学实践中，我发现这两个教材实验存在一些不足。关于氧气的实验有以下不足：（1）需要在课前制备并收集数瓶氧气备用，消耗大量的时间和精力。如果课堂现制现用，教学时间不够影响教学进度；（2）集气瓶中收集的氧气有限，随着实验的进行，浓度不断下降，导致实验现象不明显且持续时间短，学生来不及观察；（3）硫在氧气中燃烧生成的SO2未及时处理，污染大气，影响师生健康；（4）粉末状MnO2难以回收利用，不便用于验证催化剂反应前后质量不变的性质。而关于二氧化碳的实验也存在以下不足：（1）在对比CO2与空气密度大小时，受气流、仪器容积、操作等因素的影响很大，成功率不高；（2）书本未设置CO2与NaOH反应的实验，但这个反应在初中化学中起着承上启下的作用。近年来也有很多教师从实验装置、催化剂的种类、温度、反应物浓度等方面对这两个实验进行了改进，[2-4] 但涉及到这两个实验装置的一体化设计几乎没有。为此，我开展了氧气、二氧化碳制取与性质检验装置的一体化设计，并在新课和复习课教学中运用了该装置，均取得了较好的教学效果。

一、实验仪器和药品

1. 实验仪器

塑料瓶、短玻璃管、塑料羽毛球、双嘴抽滤瓶、集气瓶、烧杯、玻璃棒、酒精灯、燃烧匙、止水夹、橡皮管、橡胶塞、电子天平、注射器、气球、蜡烛、橡皮筋、滤纸、镊子、石棉网、火柴、小喷瓶等。

2. 实验药品

双氧水、二氧化锰、水泥、木炭、硫粉、铁丝、澄清石灰水、蓝色石蕊试纸、石灰石、7.3%稀盐酸、饱和氢氧化钠溶液、25%盐酸、蒸馏水等。

二、实验原理

利用这套装置我们可以制取并检验氧气的化学性质，制取氧气的化学反应方程式为“双氧水（H2O2）MnO 2= 水（H2O）+氧气（O2）”。再对比硫粉、木炭、铁丝在空气和在氧气中燃烧的不同现象验证氧气的性质。我们还可以在反应前后称取块状MnO2的质量，验证催化剂反应前后质量不变的性质。该装置还可以用来制取二氧化碳，化学反应方程式为“酸酸钙（CaCO 3 ）+盐酸（HCl） = 氯化钙（CaCl2）+水（H2O）+二氧化碳（CO2）”，并验证二氧化碳与水、氢氧化钠、澄清石灰水等反应的化学性质，以及二氧化碳密度比空气大的物理性质等。

三、实验装置

“氧气制取与性质检验”常规装置如图1所示，改进装置如图2所示。

“二氧化碳制取与性质检验”常规实验装置如图3所示，改进装置如图4所示。

四、操作要点

1. 自制固液反应器

第一步取两个饮料瓶，一根短玻璃直管，将玻璃短管的两头放在火焰上加热。加热到一定程度后，在同一水平高度穿进两个塑料瓶的瓶身，再在玻璃管和塑料瓶的间隙上涂上热熔胶，使两瓶靠近并挤压，确保瓶子的密封性，最后左瓶瓶口上塞上带导管的橡皮塞，如图5所示。第二步是检查装置的气密性，关闭止水夹，往右瓶中注水，若发现水不会流入左瓶，则证明气密性良好。第三步是安装多孔塑料板，这里我们非常巧妙地用塑料羽毛球代替了多孔塑料板，塑料羽毛球恰好能从瓶口放入瓶中，并且放进去以后会自然展开，而且塑料材质的羽毛球化学性质稳定，耐酸碱，不易和其他物质发生反应，最后用热熔胶把它固定在瓶底中心。

2. 块状二氧化锰的制取

块状MnO2的制作方法是：用电子天平称取一定量的二氧化锰和水泥，其质量比为4∶1，[5] 再加适量的水搅拌均匀，壓实压平后切割成一块钱硬币大小的正方体，24小时晾干固化后再用水冲洗，最后晾干备用（如图6所示）。用这种块状MnO2做催化剂，产生氧气的速度适中，气流平稳，且方便回收利用。

3. 氧气制取和性质检验

按图2连接好装置，将块状MnO2放入羽毛球中，不要超过羽毛球的边缘，塞上橡皮塞，往储液瓶中倒入适量的 5%的 H2O2溶液，集气瓶中装入澄清石灰水。打开止水夹，待H2O2溶液流入反应瓶中与MnO 2接触后，O2就平稳地产生了。过一段时间后，用带火星的木条验满，木条复燃证明O2已集满。接着用镊子夹取一小块木炭，放在酒精灯上灼烧，发现木炭在空气中只能烧至发红。再把木炭放入集满O2抽滤瓶中，发现木炭剧烈燃烧，发出耀眼的白光。取出木炭，盖上橡皮塞，随后CO2排入集气瓶中，澄清石灰水变浑浊。反应结束后把集气瓶中的澄清石灰水换成NaOH溶液，一段时间后又开始验满。待带火星的木条复燃后，再在铺有细沙的燃烧匙里放入一定量的硫粉，放在酒精灯上加热直至燃烧，发现硫在空气中燃烧产生淡蓝色的火焰。然后把燃烧匙伸入集满O2的抽滤瓶中，发现硫剧烈燃烧放出大量热并发出明亮的蓝紫色火焰。此时关闭止水夹，待抽滤瓶冷却后，集气瓶里一部分NaOH溶液倒吸入抽滤瓶中，轻轻振荡使SO 2被NaOH充分吸收。反应结束后又打开止水夹，继续收集满一瓶O2，此时取石棉网上的细铁丝绕成螺旋状，下端系上火柴点燃，待火柴将要燃尽时，立即伸入抽滤瓶中，发现铁丝在O2中剧烈燃烧火星四射，产生大量热，并生成一种黑色固体。整个过程中实验现象稳定且持续时间长，如图7所示。装置一体化设计并结合实验流程的优化，可以省略很多步骤，将整个实验化繁为简，大大地提高了教学效率。

4. 二氧化碳制取和性质检验

按图4连接好装置，将块状大理石放入塑料羽毛球中，塞上橡皮塞，往储液瓶中加入适量的7.3%的稀盐酸溶液。抽滤瓶中放入干燥的和湿润的蓝色石蕊小花并塞上橡皮塞，集气瓶中装入澄清石灰水。打开止水夹，让稀盐酸流入反应瓶中与大理石接触。随着CO2的通入，我們发现瓶中干燥的蓝色石蕊小花没有变色而湿润的蓝色石蕊小花变成了红色，澄清石灰水也逐渐变浑浊，这说明CO2能与水反应生成碳酸，和澄清石灰水反应生成沉淀。接着用燃烧的木条验满，木条熄灭证明CO2已集满，再把小气球放入抽滤瓶中，关闭两边的止水夹。然后往抽滤瓶中先注入20 mL的蒸馏水，并轻轻振荡，发现小花都变成红色了，小球没有变化。再注入20 mL的饱和NaOH溶液，小花又变成蓝色，小球鼓起来了，接着轻轻振荡，发现小球越鼓越大，这是因为NaOH能与CO2反应，使瓶内的气压快速下降。最后注入一定量的盐酸，发现溶液中产生了大量的气泡，小球又逐渐变扁了，这是因为HCl与生成的Na2CO 3 反应又产生了CO2，使瓶内气压增大，整个过程的实验现象如图8所示。反应结束后，再将发生装置与自制的CO2密度检验装置相连如图9，比较CO 2和空气密度的大小，我们发现蜡烛自下而上熄灭，说明CO2的密度比空气大，CO2不燃烧也不支持燃烧。

五、改进优点

1. 自制的气体制备装置优点

材料易得、造价低，制作简单、生活化；携带轻便、不易破损，可重复使用、安全性高；具有通用性，可用于O2、CO2、H2等初中常见气体的制备；还能控制反应的发生和停止，一定程度上也能控制反应速率。

2. 氧气制取与检验装置的改进优点

MnO2制成块状以后有利于控制反应速率，还有利于回收再利用；用块状MnO2来验证催化剂反应前后质量不变的性质，简单方便；解决了多班上课问题，不仅节约了药品也节约了实验准备时间，提高了课堂教学效率；由于氧气不断地通入，抽滤瓶中的氧气得到了充分补充，实验现象能持续较长时间且现象明显，有利于学生的观察和体验，激发学生的学习兴趣；增加了尾气处理装置，防止有毒气体SO2污染大气，影响师生健康，体现了绿色化学理念，增强了学生的环保意识。

3. 二氧化碳制取与检验装置的改进优点简化了装置，优化了流程，节约了药品和时间，提高了课堂效率；用改进后的装置验证CO2的性质，对比性更强，成功率更高，并能更好地培养学生的证据推理能力；对比CO2与空气密度大小的实验，改进以后不再受气流、仪器容积、操作等因素的影响，成功率几乎百分之百；增加了CO2与NaOH反应，丰富了实验内容，突出了教学重难点。

总的来说，氧气、二氧化碳制取与性质检验的一体化装置，材料易得，操作简单，功能多，运用价值广，能使实验现象更明显且持续时间长。利用该装置可以让学生体验到整个实验探究的过程，激发了学生的学习兴趣。此外，这套一体化装置综合性非常强，不仅有利于培养学生的观察能力，还有利于提升学生的实验整合能力和创新意识。在今后的新课和复习课教学中，我们可以引入该装置并结合课本实验进行对比教学，激活学生的学习思维和分析综合能力等。

参考文献

[1] 朱清时. 义务教育教科书科学九年级上册[M]. 杭州：浙江教育出版社，2014.

[2] 潘国荣. 实验室制取氧气方法的对比及建议[J]. 化学教育，2015（9）：45-47.

[3] 康泽伟. 氧气制取与检验一体化装置[J]. 教育与装备研究，2021（3）：61-63.

[4] 颜燕. 二氧化碳制取与性质检验实验分析和改进方略[J]. 现代盐化工，2020（5）：36-38.

[5] 卢香宇. 过氧化氢制取氧气的新方法[J]. 化学教育，2008（3）：9-10.