嚴曉玲 陳超

摘要：本探究實驗以滬教版教材九年級《化學(xué)》上冊內(nèi)容提供的雙氧水制取氧氣的文本材料為情境切入，對催化劑的最佳載體和過氧化氫的合適濃度進行最優(yōu)化選擇，對初中化學(xué)實驗教學(xué)的切實開展有很好的啟示作用。

關(guān)鍵詞：最佳載體；合適濃度；實驗教學(xué)

文章編號：1008-0546（2022）12x-0079-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.019

一、問題的提出

無論是人教版還是滬教版教材，都有二氧化錳催化雙氧水制氧氣的相關(guān)實驗，已有許多相關(guān)研究。[1，2]從理論上說，該實驗在常溫下進行，無需加熱；產(chǎn)物為水和氧氣，非常環(huán)保，操作也很簡單；可以利用分液漏斗調(diào)節(jié)反應(yīng)速率，二氧化錳還可以重復(fù)使用，節(jié)省時間和原料，深受老師們的喜歡。教材上簡單地用幾句話描述了該實驗：在試管中加入5 mL過氧化氫（雙氧水），再向試管中加入少量二氧化錳，然后用帶火星的木條試驗，帶火星的木條復(fù)燃，說明有氧氣產(chǎn)生，可以用這一方法制取氧氣。然而，在實際教學(xué)中，用約3%的雙氧水（醫(yī)用），一是產(chǎn)生氧氣的速度較慢，二是產(chǎn)生氧氣的量較少，若要制取幾瓶氧氣，需要較多3%的雙氧水才能完成；化學(xué)試劑商店出售的雙氧水，一般都是30%，用來制取氧氣，因為濃度較高，產(chǎn)生氧氣的速度太快，不好控制實驗過程，也不利于實驗的開展。也就是說，用3%和30%的雙氧水，都不是最理想的選擇。除此之外，用來做催化劑的二氧化錳是一種粉末狀的物質(zhì)，直接和雙氧水接觸時，接觸面積很大，使反應(yīng)速率太快不便收集；最重要的是，用過之后不便回收，不僅造成了很大的浪費還污染了環(huán)境。在整個實驗過程中，形成的是黑色懸濁液。作為一個演示實驗，其科學(xué)性不僅僅要表現(xiàn)在對科學(xué)事實的驗證，更重要的是要有利于學(xué)生從演示實驗的觀察中獲得明確的現(xiàn)象和結(jié)論。因此，科學(xué)地設(shè)計這個實驗就顯得非常重要。

二、探究目的

1．探究二氧化錳催化雙氧水時的最佳負載方式；

2．探究得到平穩(wěn)氧氣流所用雙氧水的合適濃度。

三、探究儀器及試劑

朗威DISLab8.0數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器、計算機、秒表、錐形瓶、導(dǎo)管、集氣瓶（250 mL）、酒精燈、燒杯、三腳架、蒸發(fā)器、30%雙氧水（后稀釋成不同濃度）、二氧化錳、高錳酸鉀、水。

四、探究思路

1．利用不同的載體負載二氧化錳進行實驗，比較催化劑存在方式；

2．利用不同濃度的雙氧水進行實驗，比較反應(yīng)的速度。

五、探究方案

1．尋求二氧化錳的最佳載體

粉末狀的二氧化錳和過氧化氫溶液接觸導(dǎo)致反應(yīng)劇烈，出現(xiàn)黑色懸浮物隨氣流不斷翻滾的現(xiàn)象，學(xué)生不易觀察到氣體從二氧化錳粉末表面析出，反應(yīng)在催化劑表面進行這個現(xiàn)象；其次，粉末狀的二氧化錳在和過氧化氫溶液接觸過程中反應(yīng)劇烈，放出的熱量也多，在5 mL 10%的過氧化氫溶液中加入0.2 g的二氧化錳，放出來的熱量可以使溫度瞬間上升至五十多度。如果讓學(xué)生動手操作，有一定的安全隱患；實驗結(jié)束之后，為了對比二氧化錳在反應(yīng)前后質(zhì)量是否改變，還需要將二氧化錳回收并干燥稱量。通常情況下，一般用兩種方式：第一種是過濾、轉(zhuǎn)移和烘干，這種回收方式的弊端是消耗時間長，在轉(zhuǎn)移時，又有一部分二氧化錳粉末粘在濾紙上，無法完全轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中，損失比較大；第二種方式，就是把反應(yīng)后的混合液全部轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中進行蒸發(fā)，同樣存在著耗時長和損失大的缺點。為了回避這些缺點，我們嘗試了多種方案，見圖1和圖2：

（1）過濾袋負載：將二氧化錳裝在過濾袋中進行實驗；

（2）橡皮泥負載：將二氧化錳負載在橡皮泥上，并搓成大小合適的“二氧化錳球”進行實驗；

（3）水泥球負載：將二氧化錳與適量的水泥混合，壓成片狀，待凝固后進行實驗；

（4）磚塊負載：取適量的高錳酸鉀溶液，將磚塊浸沒其中10-15 min后取出，對磚塊進行充分灼燒，冷卻并進行充分洗滌后用于實驗。

為了避免反應(yīng)速度太快不便觀察和記錄數(shù)據(jù)，首先選擇向濃度為3%的雙氧水溶液中加入不同負載的二氧化錳，記錄催化劑在雙氧水溶液中的實驗現(xiàn)象：

（圖1、圖2均為從左至右：無二氧化錳、橡皮泥負載、過濾袋負載、水泥負載、磚塊負載、無負載）

記錄實驗的現(xiàn)象，見表1。實驗表明，用磚塊負載二氧化錳效果最好。

2．尋求雙氧水的最佳濃度

選擇不同濃度的雙氧水溶液，再利用磚塊負載的二氧化錳進行一系列實驗，見圖3、圖4，并用傳感器（朗威牌氧氣傳感器）進行檢測。首先檢測到空氣中氧氣的含量為20.9%。

用不同濃度的雙氧水分別用排水法和排空氣法收集氧氣，所得結(jié)果記錄于表2和表3中。

六、數(shù)據(jù)分析

1．本實驗測得空氣中氧氣的體積分數(shù)為20.9%，這與傳感器的精確度有關(guān)；本實驗使用的是同一氧氣傳感器，屬于系統(tǒng)誤差，不影響整個實驗的數(shù)據(jù)比較。

2．通過表1可發(fā)現(xiàn)二氧化錳進行催化雙氧水的最佳負載方式；綜合表2的收集時間和得到的氧氣濃度，發(fā)現(xiàn)，雙氧水濃度越大，反應(yīng)速度越快。尤其是雙氧水的濃度達到15%后，反應(yīng)速度特別快，比較危險，故實驗時，雙氧水的濃度在10%比較合適；但即使?jié)舛炔煌罱K收集的氧氣的濃度差距并不是非常大。由于雙氧水濃度不同，在反應(yīng)過程中速度不同，以及反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不同等錯綜復(fù)雜因素的影響，使得氧氣中含水量不同。如果條件允許，下階段我們將繼續(xù)探究經(jīng)干燥后氧氣濃度的測定。

3．同時，我們也意外地發(fā)現(xiàn)了，利用雙氧水制氧氣無論是向上排空氣法，還是排水法收集，都無法得到100%的氧氣。

七、解釋及建議

我們采用了生活中常見的材料磚塊作為載體，價格比較便宜，貼近學(xué)生生活，實驗的操作性強，對比也很明顯；利用磚塊的吸附性（多孔）來吸附高錳酸鉀，再借助高錳酸鉀加熱分解產(chǎn)生的二氧化錳具有大的表面積，可有效地提高二氧化錳的催化效率，再加上磚塊對于過氧化氫本身也具有一定的催化作用，負載后作為一種復(fù)合型催化劑，它的催化效果非常好；另外，磚塊的質(zhì)量較大，體積也較大，很容易從反應(yīng)后的混合物中分離出來；選擇濃度為10%的雙氧水進行實驗，速度適中，反應(yīng)平穩(wěn)，節(jié)約了課堂的時間，提高了課堂的效率，為開展學(xué)生分組實驗探究二氧化錳的催化作用創(chuàng)造了便利條件。

參考文獻

[1] 于以哲．關(guān)于用雙氧水制氧氣的探究[J].教學(xué)實踐，2013（07）：31-32．

[2]秦敏．基于教材文本的探究性實驗教學(xué)探索——以《再探雙氧水制氧氣》為例[J]．試題與研究，2019（09）.