求真務實 事必躬親——對過氧化氫與二氧化錳反應制取氧氣實驗的探討

卞萬國

（江蘇省鹽城市城南新區(qū)伍佑初中 江蘇 鹽城 224041）

初中化學實驗知識點零碎而復雜，化學實驗過程中的不確定因素很多， 對于各類實驗我們教師要親歷親為，力爭把效果較好的實驗呈現給學生。 因為較好效果的實驗往往在于教師的反復實踐后，才可能探索到。

請看一道實驗探究題，無論是人教版義務教育課程標準實驗教科書 《化學》 九年級上冊43 頁習題的第5題；還是最新的人教版義務教育教科書《化學》九年級上冊42 頁練習與應用的第4 題， 都編排了下面這個實驗探究題：

利用下列所示的儀器、藥品（及其他必要物品）進行實驗并探究。

（1）“把二氧化錳加入裝有過氧化氫溶液的試管中”與“把過氧化氫溶液緩緩加入盛有少量二氧化錳的試管中”的實驗現象是否相同？ 哪種方法可以得到平穩(wěn)的氧氣流？

（2）設計制取氧氣和試驗其性質的實驗方案（下表可供參考， 你也可以利用一些其他代用品自行設計其他方案），征得老師同意后實施你的方案，實驗后進行小結。

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對于這個題目的解答有如下幾種：

人教版《化學教師教學用書》九年級上冊58 頁是這樣描述的：

（1）此題引導學生思考如何得到平穩(wěn)氣流，為第（2）題做些準備。

（2）這是一道探究活動習題，綜合有關氧氣知識進行復習。 這樣的習題將會在培養(yǎng)學生創(chuàng)造力方面起一定作用。

用氧化銅、氧化鐵、紅磚粉末等都可以代替二氧化錳作催化劑使過氧化氫溶液分解。 學生也可以再試一試其他什么物質可以作這一反應的催化劑。

把催化劑放在試管里，塞好帶有導管的瓶塞（應為橡皮塞， 圖中沒有瓶子， 只有試管和具支試管—筆者注），用注射器通過導管向內逐滴加入過氧化氫溶液，可以得到平穩(wěn)的氣流，同時也便于收集。

學生設計的方案可能是多種多樣的，對此教師應予以鼓勵。 對于不正確或可能不成功的方案，只要沒有危險，教師也應讓學生試一試。 學生會從探索中體驗到成功的經驗或獲得失敗的教訓。 只要學生積極思考了，認真去做了，在這個過程中一定會有收獲的。

提供的表格僅供參考， 學生可以自行設計實驗目標、方案、步驟等。 但設計好后，應由教師審查后再實施。

我以前對這一題的理解是：按照上面的提示得出第（1）題中“把過氧化氫溶液緩緩加入盛有少量二氧化錳的試管中”（以下簡稱“前者”）比“把二氧化錳加入裝有過氧化氫溶液的試管中”（以下簡稱“后者”）產生的氧氣流平穩(wěn)，從而啟發(fā)學生在第（2）題中選出用注射器通過導管向具支試管內逐滴加入過氧化氫溶液，可以得到平穩(wěn)的氣流，同時也便于收集。

網上（包括一些“名師工作室”）對此題的第（1）小題的回答也有多種答案：

甲答案：“如果兩次所用兩種物質的量一樣的話，現象相同（都是劇烈放出氣體）。 實驗室制取應該向MnO2中加入H2O2液體，要多少加多少，如果加得均勻穩(wěn)定，那么氣體也是均勻穩(wěn)定的。 ”

乙答案：“如果把二氧化錳加入過氧化氫前，過氧化氫就已經反應生成少量氧氣。 加入過氧化氫就會引起快速的劇烈反應，直到過氧化氫全部反應為止，故無法控制反應速度。 由于以上兩點原因氧氣流不平穩(wěn)。 當把過氧化氫加入二氧化錳的時候， 反應前試管中沒有氧氣。加入過氧化氫時，由于可以控制加入的速度，就可以使其較慢反應，以得到平穩(wěn)的氧氣流。 ”

這個答案對前者的分析語言邏輯混亂，按照對后者的分析，我推測前者應這樣說才比較通順：在把二氧化錳加入過氧化氫前，過氧化氫在試管里就已經緩慢反應生成少量氧氣。 加入二氧化錳后就會引起快速的劇烈反應，直到過氧化氫全部反應為止，故無法控制反應速度。由于以上兩點原因氧氣流不平穩(wěn)……

丙答案：“當然是后者了。 后者試管中過氧化氫一邊被消耗，一邊被增加，其量一直可以控制為幾乎不變，二氧化錳的量也不變，所以氧氣流比較平穩(wěn)；前者過氧化氫的量一直在減少，二氧化錳的量一直在增加，氧氣流當然不會平穩(wěn)了。 再說，“把二氧化錳加入裝有過氧化氫的試管中”，你是要加多少二氧化錳??？ 那是催化劑，加一點點就可以了，實際操作中，就是一勺加完了。 ”

丁答案：“現象不一樣。 前面方法反應更劇烈，因為反應物更多（二氧化錳是催化劑），所以剛開始氧氣大量放出（很激烈），最后到過氧化氫濃度低時就慢了。 后面方法過氧化氫慢慢加入，每次滴入濃度差不多，就可以得到平穩(wěn)的氧氣流。 量少與催化劑接觸面積小，所以反應放出氣體速率較慢。 ”

……

總的來說， 大家都傾向于前者反應速度開始非?？?，而且反應速度很快變慢，氧氣流不穩(wěn)定，不易控制和收集；后者可以做到使氧氣流平穩(wěn)，便于收集。 說實話，我也是一直這么認為的，因為我沒做過這樣的實驗。 直到有一次學?；瘜W興趣小組一位同學向我問了這一題，我當時心血來潮，給他來個“實踐出真知”吧！ 心想反正實驗挺簡單的，也沒什么危險，不怎么費事。 于是我把他領到實驗室，找出藥品和儀器，讓他自己動手做一做。

他在那里做實驗，我就在旁邊看著，做“把二氧化錳加入裝有過氧化氫溶液的試管中”的實驗時，我看到他把一支試管正插在試管架上的孔中，向試管里倒入適量的過氧化氫溶液， 再向試管內加入少量的二氧化錳，二氧化錳剛加入的瞬間反應劇烈，有大量水霧和氧氣從試管中沖出，他嚇了一跳，說了句：“乖乖，這么猛啊！ ”過了約兩三秒鐘反應穩(wěn)定了下來，這時觀察到僅在溶液的上半部分二氧化錳粉末上下翻滾、反應快速，下半部分溶液依然澄清且風平浪靜，后來二氧化錳粉末逐漸慢慢向下擴散，反應速度較快且穩(wěn)定，持續(xù)了大約兩分鐘左右，反應才逐漸停止。 接下來做“把過氧化氫溶液緩緩加入盛有少量二氧化錳的試管中”， 我看到他往另一支試管中加入少量二氧化錳， 然后試管正插在試管架上的孔中，打開盛過氧化氫溶液的試劑瓶蓋，向試管中緩慢地倒入過氧化氫溶液，沒料到的事情發(fā)生了，加入的液體混合著黑色粉末一起沖出試管濺在那位學生的衣服上、手上，連臉上也有大大小小的黑斑了。 這下他被嚇了一跳，但沒哭，他說：“這東西還發(fā)燙啊！”我趕緊把他拉到水池邊洗去臉上、 手上的污物……看這實驗探究哪里是“實踐出真知啊”，是我出糗出大發(fā)了！

后來我自己做了幾次實驗，改變了過氧化氫溶液的濃度、改變了二氧化錳的量，實驗結果仍然是前者反應速度較穩(wěn)定，后者反應速度變化起伏很大，不易控制。 我心里想：到底是自己實驗設計有問題，還是書上的結論有問題呢？ 正好趕上暑假閑來無事，我重新設計了實驗，并把實驗過程用相機拍了下來，來和專家、教授交流探討。 由于所拍視頻容量較大，上傳困難，所以這里我只能描述實驗現象了，敬請諒解！

本次實驗我設計了兩部分：

一、不同濃度的過氧化氫溶液與二氧化錳作用

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實驗現象描述：

第一組實驗中，右邊的試管二氧化錳剛加入的瞬間反應劇烈，有大量水汽和氧氣從試管中沖出，過了約兩三秒鐘反應穩(wěn)定了下來，這時觀察到二氧化錳粉末就在溶液的上半部分上下翻滾，快速反應。 下半部分溶液依然澄清且風平浪靜， 后來二氧化錳逐漸慢慢向下擴散，反應速度較快且穩(wěn)定，持續(xù)三分四十秒后，反應速度明顯減慢，四分鐘后反應逐漸停止。 左邊的試管，剛開始倒入過氧化氫溶液反應劇烈，固、液混合物差點沖出試管，停止傾倒后反應很快停止， 再傾倒反應還是很劇烈，我用了近一分鐘將10mL 液體斷斷續(xù)續(xù)傾倒完， 反應在一分三秒后逐漸停止。

第二組實驗中， 右邊試管中二氧化錳剛加入的瞬間反應也很劇烈，有大量水汽和氧氣從試管中放出，但反應很快穩(wěn)定了下來， 觀察到二氧化錳還是僅在溶液的上半部分上下翻滾、反應，下半部分溶液依然澄清平靜，后來二氧化錳逐漸慢慢向下擴散，反應速度較快且穩(wěn)定，持續(xù)二分十秒后，反應速度明顯減慢，二分三十秒后反應逐漸停止。 左邊試管中，開始倒入過氧化氫溶液反應劇烈，有大量氣體和水汽沖出試管，停止傾倒后反應很快停止，再傾倒反應還是很劇烈，我用了約四十五秒鐘將10mL 液體斷斷續(xù)續(xù)倒完，反應在一分十秒后逐漸停止。

第三組實驗中，右邊試管中二氧化錳剛加入的瞬間反應很快， 有較多水蒸氣和氧氣從試管中放出，隨即反應穩(wěn)定了下來，這時觀察到二氧化錳就在溶液的上半部分上下翻滾，反應較快進行，下半部分溶液依然風靜，后來二氧化錳也逐漸慢慢向下擴散，反應速度較快且穩(wěn)定，持續(xù)一分二十秒后，反應速度明顯減慢，一分二十五秒后反應逐漸停止。 左邊試管中，剛開始倒入過氧化氫溶液反應很快， 我用了約四十秒將10mL 液體斷斷續(xù)續(xù)倒完，反應在五十秒后變慢，一分五秒后逐漸停止。

通過這三組實驗可以看出，“把二氧化錳加入裝有過氧化氫溶液的試管中”比“把過氧化氫溶液緩緩加入盛有少量二氧化錳的試管中”反應持續(xù)時間長，產生的氧氣流穩(wěn)定。 分析原因，我認為二氧化錳粉末顆粒很細，與過氧化氫溶液的接觸面積很大。 把少量二氧化錳直接加入到過氧化氫溶液中，剛開始時，由于表層過氧化氫溶液與二氧化錳先接觸，所以反應劇烈，放出氧氣的同時產生大量水霧。 隨著二氧化錳粉末進入溶液內部，氧氣在二氧化錳顆粒表面生成， 而二氧化錳顆粒很小，表面附著的氣泡使二氧化錳顆粒的浮力增加，二氧化錳顆粒向溶液表面運動，附著的氣泡脫離二氧化錳顆粒表面而逸出溶液，二氧化錳顆粒的浮力減小，在溶液中又向下運動，這樣周而復始。 所以我們就看到反應速度很快穩(wěn)定下來，二氧化錳在溶液的上半部分上下翻滾，且不會很快下沉到底。 隨著反應的進行，溶液上半部分的過氧化氫被消耗，過氧化氫濃度降低，產生的氧氣不足以使所有二氧化錳顆粒仍然停留在溶液的上半部分，就有一部分二氧化錳顆粒在重力的作用下就向溶液的深處運動，那里二氧化錳與濃度較高的過氧化氫溶液反應而產生較多的氧氣。 從而使二氧化錳顆粒就像運送氧氣的“小車” 繼續(xù)在溶液里上下往復運動， 由于運送氧氣的“小車”數量是一定的，所以單位時間內，運送氧氣的量基本恒定，反應就這樣一直持續(xù)著，直至“小車”布滿了整個過氧化氫溶液一段時間后，氧氣的量隨著過氧化氫即將消耗完而很快減少。

而“把過氧化氫溶液緩緩加入盛有少量二氧化錳的試管中”，情形則大不相同。 首先“把過氧化氫緩緩加入”的傾倒速度就難以控制，即使讓溶液沿著試管內壁呈一條線的流入試管內，試管底的二氧化錳粉末還是會飛起來。 其次無論過氧化氫濃度大小，剛開始倒入的過氧化氫溶液量稍微多一點，反應都會非常劇烈，甚至加入的溶液大部分還沒來得及反應就連同氧氣、水汽一起沖出試管。 這是因為二氧化錳粉末和過氧化氫溶液下表面接觸的瞬間，反應速度非常快，這些運送氧氣的“小車”根本來不及運動到溶液表面，它們就在原地“卸下”運送的氧氣，導致溶液底部氣體壓強瞬間增大，氣體膨脹，這樣氧氣裹挾著液體、粉末一起向上沖。 在沒有液體流下或滴下時，反應又很快停止。 最后在實驗過程中，大部分二氧化錳粉末一直停留在試管內液體的底部，加入新溶液后，這些二氧化錳“小車”依然在原地“卸下”運送的氧氣，這樣反應就在時斷時續(xù)中進行，而且當把溶液全部加入后反應也很快停止了。

二、用注射器與廣口瓶組合和用氣體簡易發(fā)生裝置制取氧氣的比較

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綜上所述，我認為用過氧化氫溶液，二氧化錳做催化劑制取氧氣最好選用簡易發(fā)生裝置，還要先加入過氧化氫溶液，后加入少量二氧化錳，這樣反應持續(xù)時間較長，氧氣流穩(wěn)定，方便收集氣體，實驗由一人即可完成；而把過氧化氫溶液加入二氧化錳中， 氧氣流不穩(wěn)定，不便于收集氧氣，即使使用注射器、長頸漏斗等與試管、廣口瓶、錐形瓶等裝置組合也不能取得較好的實驗效果。

以上是本人的一些拙見，懇請專家、教授批評指正，提出更好的建議，使我們化學實驗教學進行得更有效。

［1］ 課程教材研究所化學課程教材研究開發(fā)中心.義務教育課程標準實驗教科書·化學九年級上冊［M］.北京：人民教育出版社，2010

［2］ 課程教材研究所化學課程教材研究開發(fā)中心.義務教育教科書·化學九年級上冊［M］.北京：人民教育出版社，2012

［3］ 課程教材研究所化學課程教材研究開發(fā)中心.義務教育課程標準實驗教科書·化學九年級上冊教師教學用書［M］.北京：人民教育出版社，2010