玻璃茶壺在“氧氣制取與性質(zhì)一體化實驗”中的妙用

鄭秀明

摘 ? 要：通過玻璃茶壺的巧妙使用，對氧氣的制取與性質(zhì)實驗進行整合改進，使整個實驗變得裝置簡約，操作簡單；氧氣充足，現(xiàn)象明顯；進程可控，藥品節(jié)約；安全可靠，綠色環(huán)保；聯(lián)系生活，趣味無窮。

關(guān)鍵詞：玻璃茶壺；氧氣制取與性質(zhì)；一體化；實驗創(chuàng)新

1 ?問題的提出

“氧氣的實驗室制取和性質(zhì)”是義務(wù)教育九年級化學的重要內(nèi)容，是初中化學的核心知識，是學生必做的8個基礎(chǔ)實驗之一。在探究氧氣的化學性質(zhì)實驗時，有的教師事先收集好氧氣，蓋上玻璃片，甚至在玻璃片上涂上凡士林防止漏氣。結(jié)果還是有部分氧氣逸散空氣中，造成實驗失敗或現(xiàn)象不明顯；也有的教師擔心氣體泄漏，把制取氧氣的實驗裝置一起帶上，現(xiàn)場制取并進行性質(zhì)實驗。但實驗儀器多，步驟復(fù)雜，耗費時間長。雖然有的學者也提出一些“氧氣制取與性質(zhì)一體化實驗”的改進方法，如蔣麗萍等人[ 1 ]使用啟普發(fā)生器、干燥管和平底燒瓶等儀器，通過過氧化氫溶液與水泥負載二氧化錳制成的小球做催化劑進行實驗；楊梅[ 2 ]提出使用酒精燈、鐵架臺、圓底燒瓶、干燥管、三頸瓶、激光筆、銅絲、紗布袋等儀器藥品進行一體化實驗設(shè)計；唐慧慧等人[ 3 ]也把三頸瓶作為主要儀器，同時還配上Y形導(dǎo)管、注射器、學生電源、導(dǎo)線、電阻絲、氣球、紗布等用品進行實驗改進。他們的實驗創(chuàng)新雖然可以控制反應(yīng)的開始與停止，也考慮到尾氣處理和現(xiàn)象明顯、藥品節(jié)約等因素，但實驗用品都較多、儀器笨重、操作繁瑣，與實驗改進理念不符。為了克服以上不足，筆者巧用玻璃茶壺制取氧氣，并在茶壺中進行性質(zhì)實驗，使整個實驗變得操作簡便、進程可控、藥品節(jié)約、現(xiàn)象明顯、安全可靠、綠色環(huán)保，充滿趣味性、生活化，便于復(fù)制推廣。

2 ?實驗方案

2.1 ?實驗所需的用品

實驗儀器：容積300 ml玻璃茶壺（包含玻璃容器、過濾網(wǎng)、玻璃蓋見圖1）、橡皮管、止水夾、單孔橡皮塞、玻璃導(dǎo)管、礦泉水瓶、小塑料瓶、鑷子、藥匙、燃燒匙、廢液缸、酒精燈。

物品：15%的過氧化氫溶液、球狀的催化劑顆粒（二氧化錳與水泥1：1混合制成）、10%的氫氧化鈉溶液、木炭、細鐵絲、硫磺、蠟燭、澄清石灰水、火柴、棉花、透明膠布、綠色植物。

2.2 ?實驗的操作步驟和現(xiàn)象

（1）氧氣的制取

步驟一：組裝好實驗裝置，檢查裝置氣密性

在適宜的橡皮塞上打個孔，插塞入帶直角彎頭的玻璃導(dǎo)管，橡皮塞面上的導(dǎo)管一端連接橡皮管，并用止水夾夾住，打開茶壺蓋子，倒放在桌子上。往茶壺注入超過玻璃濾風底適量高度的水，用橡皮塞塞緊過濾網(wǎng)口，若過濾網(wǎng)管內(nèi)的水位與管外茶壺內(nèi)的水位有一定的高度差（見圖2），則說明裝置的氣密性良好。

步驟二：制作氧氣的發(fā)生裝置進行實驗

取出管狀過濾網(wǎng)，打開橡皮塞，把球狀的催化劑顆粒放入過濾網(wǎng)中，塞緊帶導(dǎo)管橡皮塞；往倒掉水的茶壺中加入30 ml的15%過氧化氫溶液，再把整個帶橡皮塞的管狀過濾網(wǎng)放進裝有過氧化氫溶液的茶壺中制取氧氣。

步驟三：收集氧氣并驗滿

打開止水夾，把導(dǎo)管伸到靠近礦泉水瓶底部，如圖3所示用向上排空氣法收集氧氣。礦泉水瓶內(nèi)放置裝澄清石灰水的小塑料瓶、綠色植物和少量水。用帶火星的木條伸到瓶口驗滿，旋緊瓶蓋，用于進行性質(zhì)實驗。

（2） 氧氣的性質(zhì)實驗

實驗一：鐵絲在氧氣中燃燒實驗

取下帶導(dǎo)管的橡皮塞，把細鐵絲繞成圈，末端系上火柴梗，引燃火柴。等火柴即將燃盡時，用鑷子夾住細鐵絲從上到下緩慢地伸入茶壺中，觀察到鐵絲在氧氣中劇烈反應(yīng)，火星四射，放出大量的熱，產(chǎn)生黑色固體濺落下來，進入裝有過氧化氫溶液溶液的茶壺中（見圖4）。

實驗二：木炭在氧氣中燃燒實驗

用帶火星的木條伸到茶壺口驗滿，將鑷子夾住一小塊木炭，在酒精燈火焰上灼燒至紅熱，然后上到下緩慢地伸入茶壺中，觀察到木炭燃燒激烈（見圖5）。把內(nèi)壁沾有澄清石灰水的茶壺蓋蓋上，震蕩茶壺，茶壺蓋上的澄清石灰水變渾濁。如果不讓反應(yīng)繼續(xù)進行，則拿出管狀的過濾網(wǎng)放在茶壺蓋上，讓催化劑與過氧化氫溶液分開，激烈反應(yīng)暫停。

實驗三：蠟燭在氧氣中燃燒實驗

把裝有催化劑的管狀過濾網(wǎng)重新放入茶壺中，等驗滿后將點燃的蠟燭伸進茶壺中，同樣觀察到蠟燭燃燒激烈，比空氣中燒得更旺（見圖6，圖7），蓋上內(nèi)壁沾有澄清石灰水的茶壺蓋子震蕩，觀察現(xiàn)象。

實驗四：硫在氧氣中燃燒實驗

用帶火星的木條再次驗滿，點燃燃燒匙中的硫粉（圖8）放入茶壺中，觀察硫在氧氣中燃燒更旺，發(fā)出明亮的藍紫色火焰，產(chǎn)生刺激性氣味的氣體（圖9）。取出管狀過濾網(wǎng)放置在倒放的茶壺蓋上，立即用另一個內(nèi)壁用膠布粘住的氫氧化鈉溶液棉花團的茶壺蓋蓋上，振蕩茶壺，使二氧化硫氣體被充分吸收。

實驗五：綠色植物呼吸作用實驗

把圖3中的礦泉水瓶放在教室暗處的柜子里，讓學生定期觀察礦泉水瓶內(nèi)的澄清石灰水變化情況，并用手機拍照進行對比。當澄清的石灰水變渾濁程度較嚴重時，用帶火星的木條檢驗瓶內(nèi)的氣體是否能復(fù)燃。驗證綠色植物的呼吸作用是消耗氧氣，產(chǎn)生二氧化碳氣體。

3 ?實驗注意事項及相關(guān)說明

本實驗為了能控制反應(yīng)的開始和停止，把粉末狀的二氧化錳改為用二氧化錳與水泥按質(zhì)量比1：1混合制成球狀的催化劑顆粒，放入玻璃過濾網(wǎng)中。經(jīng)過反復(fù)實驗驗證，這種比例配制既可保證較好的催化效果，又能通過水泥加水后硬化，避免因為二氧化錳粉末結(jié)合水泥不牢固而通過過濾網(wǎng)孔道進入茶壺容器中，無法做到隨制隨停。二氧化錳粉末由于制成顆粒狀，減少了與過氧化氫溶液的接觸面積。如果用6%的稀溶液實驗，將會減慢反應(yīng)速率，所以改為15%的溶液進行，較適合老師的實驗演示和學生的實驗探究。

過氧化氫溶液制取氧氣的反應(yīng)是放熱的，實驗時間久了，容器內(nèi)的水蒸氣會較多，影響實驗現(xiàn)象的觀察，也影響氧氣的濃度，因而細鐵絲的燃燒實驗可安排在實驗一進行，既保證氧氣充足，又便于實驗觀察。做下一個性質(zhì)實驗時應(yīng)用帶火星的木條伸到玻璃茶壺容器口驗滿后再進行實驗，保證容器內(nèi)氧氣濃度足夠，實驗現(xiàn)象明顯。實驗間歇時，可以把玻璃過濾網(wǎng)取出，置于茶壺蓋上，使激烈反應(yīng)暫停，既可以節(jié)約藥品，也可以使溶液中的溫度下降，減少容器內(nèi)的水蒸氣形成。

綠色植物呼吸作用實驗的塑料瓶應(yīng)擰緊蓋子，放置于暗處實驗，避免呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳氣體又參與光合作用。每天讓學生觀察瓶中澄清石灰水的變化情況，培養(yǎng)學生實驗觀察的能力和實驗探究的樂趣。當澄清石灰水變渾濁時，說明綠色植物呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳。通過拍照對比觀察，當發(fā)現(xiàn)渾濁程度較為嚴重時，打開瓶蓋，用帶火星的木條伸入礦泉水瓶內(nèi)。若發(fā)現(xiàn)帶火星的木條沒有復(fù)燃，說明氧氣參與反應(yīng)。通過實驗現(xiàn)象的觀察和分析，培養(yǎng)學生的證據(jù)意識和邏輯推理能力。

4 ?本實驗設(shè)計的特點及意義

4.1 ?裝置簡約，操作簡便

這套簡易裝置只需生活中經(jīng)常使用的茶壺、帶橡皮塞的導(dǎo)管、礦泉水瓶等幾個簡單常用的儀器和生活用品，就可以完成了氧氣的制取與性質(zhì)的一體化實驗。需要的實驗儀器既少又簡單，攜帶方便，而且操作簡便，可以做到隨時制取馬上使用，使實驗變得簡約高效。尤其在做細鐵絲燃燒的實驗中不需要預(yù)先加入少量水或鋪上細沙，茶壺中的過氧化氫溶液就可防止燃燒后的產(chǎn)物熔化濺落下來炸裂壺底。

4.2 ?氧氣充足，現(xiàn)象明顯

由于該實驗制取氧氣可以通過添加過氧化氫溶液的量隨時制取，直接在反應(yīng)容器中進行性質(zhì)實驗，無需事先收集儲備，因而氧氣充足，現(xiàn)象明顯。減少了以往做性質(zhì)實驗時課前收集多瓶氧氣備用，而在實驗時卻發(fā)現(xiàn)漏氣了，導(dǎo)致現(xiàn)象不明顯的尷尬局面。

4.3 ?反應(yīng)可控，藥品節(jié)約

通過管狀過濾網(wǎng)的移動，實現(xiàn)了隨制隨停的目的，也減少過氧化氫溶液的浪費；用水泥和二氧化錳制成的球狀顆粒，在實驗結(jié)束后洗滌曬干裝在試劑瓶中可以反復(fù)使用，省去了二氧化錳粉末在過濾洗滌回收處理中步驟繁瑣、時間太長，也避免粉末狀固體回收時容易造成損失，導(dǎo)致藥品浪費。

4.4 ?尾氣處理，綠色環(huán)保

硫燃燒產(chǎn)生的有毒氣體，通過蓋上用膠布粘有氫氧化鈉溶液棉花團的茶壺蓋，振蕩。二氧化硫既可與氫氧化鈉溶液反應(yīng)，也可與過氧化氫溶液反應(yīng)，使有害氣體能被充分吸收，防止污染空氣。

4.5 ?實驗安全，防止事故

用此裝置和藥品制取氧氣并進行性質(zhì)實驗，可避免用高錳酸鉀加熱制取氧氣，因酒精燈使用不當造成火災(zāi)；實驗操作不當，導(dǎo)致水被倒吸，造成試管炸裂傷人的事故發(fā)生；學生不小心接觸到高錳酸鉀藥品，造成皮膚腐蝕等，大大提高了實驗的安全性。

4.6 ?實驗趣味，聯(lián)系生活

實驗通過日常生活中泡茶用的茶壺，進行適當?shù)母倪M用于實驗中，使氧氣的制取與性質(zhì)一體化實驗更具生活化和趣味性，而且也便于學生進行課外的家庭實驗探究，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)他們的實驗創(chuàng)新精神。

5 ?結(jié)語

義務(wù)教育階段的化學教育，要激發(fā)學生學習化學的好奇心，引導(dǎo)學生體驗科學探究的過程，激發(fā)學生對科學的興趣，啟迪學生的科學思維，理解學科本質(zhì)，提高學生的科學素養(yǎng)[ 4 ]。玻璃茶壺在“氧氣制取與性質(zhì)一體化實驗”中的妙用，必然能啟發(fā)學生有創(chuàng)造性地使用生活用品進行實驗與改進，在實踐中不斷探索科學與真理，逐步形成科學精神和創(chuàng)新意識，增強社會責任感，提高學科素養(yǎng)。

參考文獻：

［1］ 蔣麗萍，錢柳云.氧氣的制取與性質(zhì)實驗創(chuàng)新[J].化學教與學，2021（4）：97-99.

［2］ 楊梅.氧氣的實驗室制取及性質(zhì)檢測一體化實驗設(shè)計[J].教育與裝備研究，2021（3）：62-64.

［3］ 唐慧慧，賴琛虹.“氧氣的制取及性質(zhì)”實驗一體化設(shè)計與應(yīng)用[J].實驗教學與儀器，2021（2）：38-40.

［4］ 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012：1.