玻璃茶壶在“氧气制取与性质一体化实验”中的妙用

郑秀明

摘   要：通过玻璃茶壶的巧妙使用，对氧气的制取与性质实验进行整合改进，使整个实验变得装置简约，操作简单；氧气充足，现象明显；进程可控，药品节约；安全可靠，绿色环保；联系生活，趣味无穷。

关键词：玻璃茶壶；氧气制取与性质；一体化；实验创新

1  问题的提出

“氧气的实验室制取和性质”是义务教育九年级化学的重要内容，是初中化学的核心知识，是学生必做的8个基础实验之一。在探究氧气的化学性质实验时，有的教师事先收集好氧气，盖上玻璃片，甚至在玻璃片上涂上凡士林防止漏气。结果还是有部分氧气逸散空气中，造成实验失败或现象不明显；也有的教师担心气体泄漏，把制取氧气的实验装置一起带上，现场制取并进行性质实验。但实验仪器多，步骤复杂，耗费时间长。虽然有的学者也提出一些“氧气制取与性质一体化实验”的改进方法，如蒋丽萍等人[ 1 ]使用启普发生器、干燥管和平底烧瓶等仪器，通过过氧化氢溶液与水泥负载二氧化锰制成的小球做催化剂进行实验；杨梅[ 2 ]提出使用酒精灯、铁架台、圆底烧瓶、干燥管、三颈瓶、激光笔、铜丝、纱布袋等仪器药品进行一体化实验设计；唐慧慧等人[ 3 ]也把三颈瓶作为主要仪器，同时还配上Y形导管、注射器、学生电源、导线、电阻丝、气球、纱布等用品进行实验改进。他们的实验创新虽然可以控制反应的开始与停止，也考虑到尾气处理和现象明显、药品节约等因素，但实验用品都较多、仪器笨重、操作繁琐，与实验改进理念不符。为了克服以上不足，笔者巧用玻璃茶壶制取氧气，并在茶壶中进行性质实验，使整个实验变得操作简便、进程可控、药品节约、现象明显、安全可靠、绿色环保，充满趣味性、生活化，便于复制推广。

2  实验方案

2.1  实验所需的用品

实验仪器：容积300 ml玻璃茶壶（包含玻璃容器、过滤网、玻璃盖见图1）、橡皮管、止水夹、单孔橡皮塞、玻璃导管、矿泉水瓶、小塑料瓶、镊子、药匙、燃烧匙、废液缸、酒精灯。

物品：15%的过氧化氢溶液、球状的催化剂颗粒（二氧化锰与水泥1：1混合制成）、10%的氢氧化钠溶液、木炭、细铁丝、硫磺、蜡烛、澄清石灰水、火柴、棉花、透明胶布、绿色植物。

2.2  实验的操作步骤和现象

（1）氧气的制取

步骤一：组装好实验装置，检查装置气密性

在适宜的橡皮塞上打个孔，插塞入带直角弯头的玻璃导管，橡皮塞面上的导管一端连接橡皮管，并用止水夹夹住，打开茶壶盖子，倒放在桌子上。往茶壶注入超过玻璃滤风底适量高度的水，用橡皮塞塞紧过滤网口，若过滤网管内的水位与管外茶壶内的水位有一定的高度差（见图2），则说明装置的气密性良好。

步骤二：制作氧气的发生装置进行实验

取出管状过滤网，打开橡皮塞，把球状的催化剂颗粒放入过滤网中，塞紧带导管橡皮塞；往倒掉水的茶壶中加入30 ml的15%过氧化氢溶液，再把整个带橡皮塞的管状过滤网放进装有过氧化氢溶液的茶壶中制取氧气。

步骤三：收集氧气并验满

打开止水夹，把导管伸到靠近矿泉水瓶底部，如图3所示用向上排空气法收集氧气。矿泉水瓶内放置装澄清石灰水的小塑料瓶、绿色植物和少量水。用带火星的木条伸到瓶口验满，旋紧瓶盖，用于进行性质实验。

（2） 氧气的性质实验

实验一：铁丝在氧气中燃烧实验

取下带导管的橡皮塞，把细铁丝绕成圈，末端系上火柴梗，引燃火柴。等火柴即将燃尽时，用镊子夹住细铁丝从上到下缓慢地伸入茶壶中，观察到铁丝在氧气中剧烈反应，火星四射，放出大量的热，产生黑色固体溅落下来，进入装有过氧化氢溶液溶液的茶壶中（见图4）。

实验二：木炭在氧气中燃烧实验

用带火星的木条伸到茶壶口验满，将镊子夹住一小块木炭，在酒精灯火焰上灼烧至红热，然后上到下缓慢地伸入茶壶中，观察到木炭燃烧激烈（见图5）。把内壁沾有澄清石灰水的茶壶盖盖上，震荡茶壶，茶壶盖上的澄清石灰水变浑浊。如果不让反应继续进行，则拿出管状的过滤网放在茶壶盖上，让催化剂与过氧化氢溶液分开，激烈反应暂停。

实验三：蜡烛在氧气中燃烧实验

把装有催化剂的管状过滤网重新放入茶壶中，等验满后将点燃的蜡烛伸进茶壶中，同样观察到蜡烛燃烧激烈，比空气中烧得更旺（见图6，图7），盖上内壁沾有澄清石灰水的茶壶盖子震荡，观察现象。

实验四：硫在氧气中燃烧实验

用带火星的木条再次验满，点燃燃烧匙中的硫粉（图8）放入茶壶中，观察硫在氧气中燃烧更旺，发出明亮的蓝紫色火焰，产生刺激性气味的气体（图9）。取出管状过滤网放置在倒放的茶壶盖上，立即用另一个内壁用胶布粘住的氢氧化钠溶液棉花团的茶壶盖盖上，振荡茶壶，使二氧化硫气体被充分吸收。

实验五：绿色植物呼吸作用实验

把图3中的矿泉水瓶放在教室暗处的柜子里，让学生定期观察矿泉水瓶内的澄清石灰水变化情况，并用手机拍照进行对比。当澄清的石灰水变浑浊程度较严重时，用带火星的木条检验瓶内的气体是否能复燃。验证绿色植物的呼吸作用是消耗氧氣，产生二氧化碳气体。

3  实验注意事项及相关说明

本实验为了能控制反应的开始和停止，把粉末状的二氧化锰改为用二氧化锰与水泥按质量比1：1混合制成球状的催化剂颗粒，放入玻璃过滤网中。经过反复实验验证，这种比例配制既可保证较好的催化效果，又能通过水泥加水后硬化，避免因为二氧化锰粉末结合水泥不牢固而通过过滤网孔道进入茶壶容器中，无法做到随制随停。二氧化锰粉末由于制成颗粒状，减少了与过氧化氢溶液的接触面积。如果用6%的稀溶液实验，将会减慢反应速率，所以改为15%的溶液进行，较适合老师的实验演示和学生的实验探究。

过氧化氢溶液制取氧气的反应是放热的，实验时间久了，容器内的水蒸气会较多，影响实验现象的观察，也影响氧气的浓度，因而细铁丝的燃烧实验可安排在实验一进行，既保证氧气充足，又便于實验观察。做下一个性质实验时应用带火星的木条伸到玻璃茶壶容器口验满后再进行实验，保证容器内氧气浓度足够，实验现象明显。实验间歇时，可以把玻璃过滤网取出，置于茶壶盖上，使激烈反应暂停，既可以节约药品，也可以使溶液中的温度下降，减少容器内的水蒸气形成。

绿色植物呼吸作用实验的塑料瓶应拧紧盖子，放置于暗处实验，避免呼吸作用产生的二氧化碳气体又参与光合作用。每天让学生观察瓶中澄清石灰水的变化情况，培养学生实验观察的能力和实验探究的乐趣。当澄清石灰水变浑浊时，说明绿色植物呼吸作用产生二氧化碳。通过拍照对比观察，当发现浑浊程度较为严重时，打开瓶盖，用带火星的木条伸入矿泉水瓶内。若发现带火星的木条没有复燃，说明氧气参与反应。通过实验现象的观察和分析，培养学生的证据意识和逻辑推理能力。

4  本实验设计的特点及意义

4.1  装置简约，操作简便

这套简易装置只需生活中经常使用的茶壶、带橡皮塞的导管、矿泉水瓶等几个简单常用的仪器和生活用品，就可以完成了氧气的制取与性质的一体化实验。需要的实验仪器既少又简单，携带方便，而且操作简便，可以做到随时制取马上使用，使实验变得简约高效。尤其在做细铁丝燃烧的实验中不需要预先加入少量水或铺上细沙，茶壶中的过氧化氢溶液就可防止燃烧后的产物熔化溅落下来炸裂壶底。

4.2  氧气充足，现象明显

由于该实验制取氧气可以通过添加过氧化氢溶液的量随时制取，直接在反应容器中进行性质实验，无需事先收集储备，因而氧气充足，现象明显。减少了以往做性质实验时课前收集多瓶氧气备用，而在实验时却发现漏气了，导致现象不明显的尴尬局面。

4.3  反应可控，药品节约

通过管状过滤网的移动，实现了随制随停的目的，也减少过氧化氢溶液的浪费；用水泥和二氧化锰制成的球状颗粒，在实验结束后洗涤晒干装在试剂瓶中可以反复使用，省去了二氧化锰粉末在过滤洗涤回收处理中步骤繁琐、时间太长，也避免粉末状固体回收时容易造成损失，导致药品浪费。

4.4  尾气处理，绿色环保

硫燃烧产生的有毒气体，通过盖上用胶布粘有氢氧化钠溶液棉花团的茶壶盖，振荡。二氧化硫既可与氢氧化钠溶液反应，也可与过氧化氢溶液反应，使有害气体能被充分吸收，防止污染空气。

4.5  实验安全，防止事故

用此装置和药品制取氧气并进行性质实验，可避免用高锰酸钾加热制取氧气，因酒精灯使用不当造成火灾；实验操作不当，导致水被倒吸，造成试管炸裂伤人的事故发生；学生不小心接触到高锰酸钾药品，造成皮肤腐蚀等，大大提高了实验的安全性。

4.6  实验趣味，联系生活

实验通过日常生活中泡茶用的茶壶，进行适当的改进用于实验中，使氧气的制取与性质一体化实验更具生活化和趣味性，而且也便于学生进行课外的家庭实验探究，激发他们的创新思维，培养他们的实验创新精神。

5  结语

义务教育阶段的化学教育，要激发学生学习化学的好奇心，引导学生体验科学探究的过程，激发学生对科学的兴趣，启迪学生的科学思维，理解学科本质，提高学生的科学素养[ 4 ]。玻璃茶壶在“氧气制取与性质一体化实验”中的妙用，必然能启发学生有创造性地使用生活用品进行实验与改进，在实践中不断探索科学与真理，逐步形成科学精神和创新意识，增强社会责任感，提高学科素养。

参考文献：

［1］ 蒋丽萍，钱柳云.氧气的制取与性质实验创新[J].化学教与学，2021（4）：97-99.

［2］ 杨梅.氧气的实验室制取及性质检测一体化实验设计[J].教育与装备研究，2021（3）：62-64.

［3］ 唐慧慧，赖琛虹.“氧气的制取及性质”实验一体化设计与应用[J].实验教学与仪器，2021（2）：38-40.

［4］ 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012：1.