实验三.docx

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实验三

实验三：

演示实验的准备与实验教学研究

——氧气的获得方法及氧气的性质

一、实验计划

（1）获得氧气的方法

✧制取氧气的方案：

1）加热高锰酸钾（固体加热型）

高锰酸钾==加热==锰酸钾+二氧化锰+氧气

2KMnO4==△==K2MnO4+MnO2+O2↑

2）加热氯酸钾,二氧化锰作催化剂（固固加热型）

氯酸钾==二氧化锰,加热==氯化钾+氧气

2KClO3==MnO2,△==2KCl+3O2↑

3）用二氧化锰作催化剂,分解过氧化氢

过氧化氢==二氧化锰==水+氧气

2H2O2==MnO2==2H2O+O2↑（固液型）

实验过程中可以探究哪种方案最适合在实验中制取大量纯净的氧气。

✧收集氧气的方法：

向上排空气法、排水法

（2）木炭在氧气中燃烧

实验条件：

木炭在氧气里燃烧须事先把木炭燃红。

若将木炭放入燃烧匙内在空气里，则很难烧红，以致拖延演示时间。

若用镊子夹取一小块木炭在酒精灯焰上烧红，然后用嘴吹旺，再放入燃烧匙里伸入盛有氧气的集气瓶中试验，则可节约演示时间。

实验操作：

将点燃的木炭放进盛氧气的集气瓶里时，必须要从瓶的口部燃起，慢慢地伸到瓶底，这样做有两个好处：

第一，可以使集气瓶的瓶壁受热均匀；第二，可以利用全部氧气，使燃烧的时间延长，效果明显。

产物检验：

鉴定燃烧生成的二氧化碳要用新制的、饱和的、澄清的石灰水，因为石灰水放置过久，其中的氢氧化钙会与空气中的二氧化碳起反应而失效。

浓度小的石灰水遇到较多的二氧化碳容易生成可溶性的碳酸氢钙，使开始时出现的浑浊，一会儿又变得澄清了。

现象观察：

对比炭在空气与氧气中燃烧的不同现象。

●在空气中燃烧：

发出红光,燃烧不剧烈

●在氧气中燃烧：

燃烧得更旺，发出白光，放出热量，生成的无色气体能使澄清的石灰水变浑浊。

（3）硫在氧气中燃烧

硫的载体：

在氧气里燃烧硫、磷、钠等一般都要用燃烧匙。

但是使用燃烧匙有如下不便之处：

Ø操作上不便：

为了防止燃烧匙被烧坏，并且使用过的燃烧匙易于洗净，在燃烧匙的底部要先铺上一层石棉绒或一块石棉纸，也可以先放一些砂子。

Ø实验现象的影响：

若燃烧的火焰未呈现预期的颜色，原因可能是燃烧匙中混入了影响焰色的杂质。

在燃烧匙中还不便学生进行观察。

Ø从绿色化学角度：

在燃烧匙中反应需要比较多的硫，产生比较多的二氧化硫气体，对环境有污染。

所以要改进硫的载体，可以先把玻璃棒烧热，然后蘸取少量硫粉。

实验条件：

硫粉必须在酒精灯上加热。

实验操作：

放进氧气瓶中的操作要点与炭在氧气中燃烧的操作是一样的。

产物安全：

实验时，用小木片或厚纸板盖在集气瓶口上，这样可以防止燃烧生成的有毒气体大量逸出。

反应完全后，可以往集气瓶中倒入少量氢氧化钠溶液以吸收产生的有毒二氧化硫气体。

现象观察：

对比硫在空气与氧气中燃烧的不同现象。

●在空气中燃烧：

持续燃烧，放热，有淡蓝色火焰，生成一种无色有刺激性气味

●在氧气中燃烧：

燃烧得更旺，有明亮蓝紫色火焰，且放出大量热，生成一种无色有刺激性气

（4）铁丝在氧气中燃烧

铁丝的性状：

铁丝在氧气中燃烧的实验，关键是选好铁丝和注意操作。

铁丝要细且要除去表面的氧化物

引发反应条件的装置：

绕成螺旋状（不要成团，间隔一段距离），铁丝绕成螺旋状，便于燃烧后集聚熔融珠状的产物。

下端绕上一小段木棍（不能太长的木棍），上端可以用镊子夹取。

点燃木棍等到快要烧到铁丝时立即伸入氧气瓶中。

反应容器：

氧气需要大瓶的集气瓶装着。

实验操作：

放进氧气瓶中的操作要点与炭在氧气中燃烧的操作是一样的。

现象的观察：

对比铁丝在空气与氧气中燃烧的不同现象。

●在空气中燃烧：

看到铁丝微红，但是一离开火焰铁丝冷却下来。

●在氧气中燃烧：

剧烈燃烧，火星四射，生成一种黑色固体

（5）蜡烛在氧气中燃烧

蜡烛在氧气里燃烧，要确证有水生成，所用的氧气和集气瓶都应该是干燥的。

因此，这瓶氧气应该用排气法收集，集气瓶也应事先烘干。

所用蜡烛应尽可能短小一些，反应结束后，观察到原本干燥的集气瓶壁出现水珠或者水雾，向集气瓶中倒入澄清石灰水，检验生成物。

二、实验步骤

（1）探究实验室中制取氧气的方法

1）加热高锰酸钾（固体加热型）

Ø按上面的装置图，组装仪器。

注意导管口要塞一团棉花。

Ø检查装置的气密性，方法如下：

用手捂热试管外壁，观察水槽中导管的另一端是否有气泡产生，若有，说明气密性良好。

或者用酒精灯微热试管外壁。

Ø装药品：

将用托盘天平称好的3g高锰酸钾晶体装入试管中

Ø加热：

先均匀加热后再局部加热。

用排水法收集氧气。

观察集气瓶中导管冒出气泡的速率。

Ø观察实验现象，做好记录。

2）加热氯酸钾,二氧化锰作催化剂（固固加热型）

装置如上图

Ø按上面的装置图，组装仪器。

Ø检查装置的气密性。

Ø装药品：

将用托盘天平称好的3g氯酸钾粉末和0.3g二氧化锰粉末放进研钵中研磨，然后装入试管中。

Ø加热：

先均匀加热后再局部加热。

用排水法收集氧气。

观察集气瓶中导管冒出气泡的速率。

Ø观察实验现象，做好记录。

3）用二氧化锰作催化剂,分解过氧化氢

Ø按上面的装置图，组装仪器。

选择其中一个收集方法进行收集。

Ø检查装置的气密性。

Ø装药品：

称量0.5g二氧化锰粉末放入锥形瓶中，加入少量水。

取30ml30%双氧水倒入分液漏斗中。

Ø先慢慢开启活塞，让部分双氧水缓缓滴入锥形瓶中，速度不宜太快。

控制好氧气的速率。

Ø观察实验现象，做好记录。

现象：

◆高锰酸钾晶体随着反应的进行慢慢融化，集气瓶中导管慢慢冒出气泡。

现象很明显。

大约三分钟才收集一瓶氧气。

且氧气收集满后仍有少量的紫红色蒸气存在。

◆氯酸钾和二氧化锰的混合物再酒精灯的加热下，逐渐融解，且固体变为黑色液体，流向导管口。

需等到固体溶解后，水槽中集气瓶中才有气泡冒出，且速度缓慢。

大约三分钟只能收集3分之2集气瓶的氧气。

反应完全后，导管有粉红色晶体产生。

◆当打开活塞加入部分双氧水后，锥形瓶中就有大量的气泡产生，且形成白雾。

集气瓶中导管也不断冒出气泡。

实验结论：

根据三种制取氧气的方案的探究，从制取氧气的目的——氧气性质的演示实验角度（需要耗氧量多，纯净的氧气）来说，用双氧水二氧化锰作催化剂的方案最好，理由如下：

✓用高锰酸钾制备氧气，即使在导管口赛一团棉花，仍然无法避免集气瓶中出现紫红色蒸气，影响氧气的纯度。

✓氯酸钾和二氧化锰混合后制备氧气，二氧化锰在反应中参与了反应，并不是简单地催化反应，并且生成了中间产物，不过此中间产物既非

也非

，而是一种类似络合物的物质

，它的分解速度极快，非常不稳定，存在时间极短，变生成边分解。

由于络合物的生成降低了分解的活化能。

使其在较低温度下分解放出。

这一过程可能的反应为：

所以反应产生的氧气速率较慢，不适合在实验室中制取大量的氧气。

✓双氧水制取氧气，制取过程装置易于控制，反应速率可以随时控制，反应机理简单，产物是水，无污染。

而且制取的氧气纯度很高。

（2）氧气的性质实验

1）炭在氧气中燃烧

a）选用长条片状的木炭。

b）先用镊子夹住木炭，在酒精灯下加热到发红。

然后迅速地放进集气瓶中。

c）红热的木炭由上而下慢慢地放入盛有氧气的集气瓶中，如果一开始就伸到瓶底，木炭燃烧所生成的二氧化碳会把瓶中部和上部的氧气排出，木炭就不能顺利燃烧。

d）向集气瓶中倒入澄清石灰水（注意：

鉴定二氧化碳用的澄清石灰水，要用新制的和浓度较大的。

因为放置久了的石灰水，会因其中的氢氧化钙已跟空气里的二氧化碳起反应而失效。

浓度小的石灰水遇到二氧化碳，开始时显浑浊，不久便又会因生成可溶性的碳酸氢钙而变得澄清。

）振荡。

e）观察实验现象，并记录

现象：

比在空间中燃烧得更旺，发出白光，放出热量，生成的无色气体能使澄清的石灰水变浑浊。

2）硫在氧气中燃烧

●让玻棒在酒精灯上烧热，温度要够，不然硫粉无法点燃。

●等玻棒达到一定温度后，蘸取少量硫粉，看到微弱的蓝紫色火焰，快速地放进充满氧的集气瓶中

●玻棒由上而下慢慢地放入盛有氧气的集气瓶中，如果一开始就伸到瓶底，硫粉燃烧所生成的二氧化硫会把瓶中部和上部的氧气排出，硫粉就不能顺利燃烧。

●反应完全后，加入少量氢氧化钠溶液后振荡，去除集气瓶中产生的二氧化硫，以免污染环境。

现象：

硫在氧气燃烧比在空气中燃烧得更旺，有明亮蓝紫色火焰，且放出大量热，生成一种无色有刺激性气

3）铁丝在氧气中燃烧

1、收集一瓶大瓶的氧气。

2、将铁丝绕成螺旋状，在末端系上一根小木条。

3、在空气中加热，然后放入集气瓶中。

（注意：

瓶底要放沙子或水，防止炸裂集气瓶。

）

现象：

剧烈燃烧，火星四射，生成一种黑色固体，铁丝末端熔成小球。

4）蜡烛在氧气中燃烧

1.取一个干燥的集气瓶，用向上排空气法收集一瓶氧气。

2.截一小段蜡烛，不能太大。

以免氧气量不够。

3.用镊子夹住，点燃蜡烛，蜡烛焰发出微弱的黄光。

4.把点燃的蜡烛缓缓地伸进盛有氧气的集气瓶中，蜡烛烧得更旺，发出白光，并放出热量。

集气瓶变得模糊，片刻后，瓶壁有水珠生成。

5.向集气瓶中倒入少量澄清石灰水。

振荡。

现象：

蜡烛烧得更旺，发出白光，并放出热量，瓶壁有水珠生成，生成一种能使澄清石灰水变浑浊的气体。

三、实验注意事项：

A.有关实验操作中的一些问题。

在演示氧气的化学性质时，须事前收集多瓶氧气，如要临时充氧气，最好用贮气瓶，因为用贮气瓶供氧气迅速方便。

各种物质在盛有氧气的集气瓶里燃烧时，反应都比较剧烈，放出大量的热，以致集气瓶往往容易破裂，所以要选用较大的（250ml）集气瓶；

B.用来燃烧的物质取量不宜太多（例如硫或磷，约取绿豆粒大小的一粒就够了）；

C.演示时还要注意不可让燃着的物质以及盛燃烧物质的燃烧匙和瓶壁接触；

D.用来燃烧铁丝的一瓶氧气，预先装入瓶中的水或细砂铺在瓶底的厚度可约在2—3cm之间。

以防止瓶底破裂。

四、本次实验最大收获

这次实验是以初中化学一个重要的知识点——氧气的性质为背景的。

经过对制备氧气三个方案的探究后，讨论得出实验室制备氧气的方案最好是采用双氧水，利用二氧化锰作催化剂。

因为此反应不像高锰酸钾会产生紫红色蒸气导致氧气纯度不纯，而氯酸钾和二氧化锰的混合物产生氧气的量与氯酸钾和二氧化锰的配比有关，虽然从反应方程式来看，原子利用率是最高的，但是在加热过程中却有副反应发生，导致产生氧气的速度比较慢。

双氧水较好，因为它不用加热，节省了能源，只要用少量二氧化锰作催化剂就行，产生的产物又是水，对环境无污染。

在本次氧气的性质实验中，需要耗掉大量氧气，所以需要收集很多瓶氧气，用双氧水制取保证氧气充足。

在做四个性质实验过程中，都注意要引导学生观察在空气中的反应和在氧气中的反应现象有什么不同，逐步给学生一个印象：

氧气是具有助燃性的。

而且还要注意在把各种燃着的物质放进氧气瓶中都要缓慢地自瓶口向下到瓶的底部，才能充分利用氧气，演示实验才能保证成功。

在做制取氧气过程中，使用分液漏斗添加双氧水时要注意打开活塞时要把瓶塞打开，锥形瓶下面有气泡开始冒出时要记得把瓶塞关上。

最方便的操作是一手松上面的瓶塞一手去开活塞。

这样就不会因瓶塞没塞上而导致有氧气损失。

在做氯酸钾和二氧化锰混合物制备氧气时，特别要注意二氧化锰的量。

二氧化锰太多，会产生氯气，污染环境。

通过实验，认为做以上演示实验时可以进行以下改进：

如制备氧气是用集气瓶先收集后再进行反应的，如果储存不当在实验时会出出现一些不希望出现的现象。

可以采用分解双氧水的方法来制取：

在集气瓶里放少许30%的双氧水，准备少许二氧化锰在实验时投入集气瓶；这样实验前就不需要制备和储存氧气，保证实验时有氧可用。

五、思考与讨论

（1）  从绿色化学的角度及直观、简单、安全、可靠等方面进行实验室制取氧气的方法的创新性设计。

这里的“绿色”主要指什么？

答，主要指产生的产物对环境无污染、反应尽量能减少能源。

如可以不加热，尽量采用不加热的方法发应，这样可以减少能源又可以减少二氧化碳的排放。

（3）按直观、简单、安全、可靠的原则，分别对上述四个实验作为演示进行创新性设计。

这里的“安全”主要指什么？

答，可利用如下图5-3-1，图5-3-2燃烧器可进行某些物质在氧气中燃烧的实验（另配吸收装置）。

图5-3-1上口配胶塞，插燃烧物，管外点燃图5-3-2酒精灯外加热点燃

这样可以使氧气充分利用，而且节约氧气的量，反应直观，容易观察。

安全是指反应过程中不会对实验人员造成危险。

（5）  铁丝在氧气中燃烧的实验是一个难度较大的实验，该实验对铁丝的性状、引发反映条件的装置、反映容器以及实验操作各有何要求？

提出这些要求的原因各是什么？

你能否设计出一个Al在O2中燃烧的演示实验？

答，提出这些原因是因为铁的着火点很高，在空气中点燃，火焰上可以看到铁被烧红，但是一离开火焰，铁就立即冷却下来了。

铝在氧气中燃烧实验设计：

这样设计的原因：

（7）用化学热力学知识解释铁丝在O2燃烧的产物是四氧化三铁（Fe3O4）。

答，铁在氧气中燃烧生成熔融物的温度一般达到1800K—1870K。

1800K下Fe3O4、Fe2O3、FeO三种氧化物的生成物的自由能分别为：

-550.9kJ·moL-1、-354.2kJ·moL-1、-144.5kJ·moL-1。

用1800k下的生成自由能数据计算下列反应

（1）和反应

（2）在1800K下的标准摩尔反应自由能变化：

3FeO（s）+1/2O2（g）=Fe3O4（s）

（1）

2Fe3O4（s）+1/2O2（g）=3Fe2O3

（2）

△rG

（1800K,1）=△fG

（Fe3O4）－3△fG

（FeO）=-117.4kJ·moL-1

△rG

（1800K,2）=3△rG

（Fe2O3）－2△rG

（Fe3O4）=39.2kJ·moL-1

这表明，在1800K下，FeO氧化为Fe3O4的反应是自发的，而Fe3O4继续氧化为Fe2O3是不自发的，故产物是Fe3O4。

（8）作为演示实验应如何利用铁丝在O2中的燃烧，培养学生的观察能力和推理能力？

答，在演示实验中，要注意引导学生比较铁丝分别在空气和氧气中的不同反应现象。

引导学生观察为什么集气瓶中要加少量水或者细沙，作用是什么。

引导学生观察为什么在铁丝末端要加一小段木棒，作用是什么。

六、教学小片段

【讲述】同学都吃过烧烤吧，那烧烤炉中的炭在空气中燃烧时，火是很微弱的。

大家知道空气中含氧量大概是21%。

那如果我现在让一块木块在一瓶纯净的氧气中燃烧，现象还会不会和在空气中一样呢？

老师接下来就要来演示炭和氧气的反应。

同学们要仔细观察了。

【板书】炭+氧气—?

→

【演示】这是一瓶收集满的氧气。

先点燃酒精灯，我用镊子选一块长条木块，在酒精灯上加热，大家看到木炭烧红了。

注意在空气中是什么现象。

那现在我把它快速地放进集气瓶中。

注意，我是从上到下缓缓地到达底部，反应完全了，我现在取出木炭。

我请前面的同学摸下烧杯壁。

现在我往集气瓶中再倒入少量澄清石灰水，大家认真看集气瓶中是什么现象。

。

【提问】刚刚老师夹着炭是从上往下慢慢得到底部，这是为什么呢？

有没有同学知道原因。

这位同学回答下。

【讲述】这样做的目的是：

第一，可以使集气瓶的瓶壁受热均匀；第二，可以利用全部氧气，使燃烧的时间延长，效果明显。

【提问】我们一起总结。

大家看到了炭在空气中燃烧是什么现象啊？

【板书】炭

在空气中燃烧持续燃烧，无烟，无焰

【提问】那在氧气中呢？

又是什么现象

【板书】在氧气中燃烧燃烧得更旺，放出热量，发出白光，产生一种气体（石灰水变浑浊）

【提问】我们学过哪种气体能使澄清石灰水变变浑浊？

【讲述】是的，二氧化碳。

说明反应生成二氧化碳

【板书】炭+氧二氧化碳

C+O2==CO2

【总结】从炭在空气中和氧气中燃烧得不同现象，我们知道炭在氧气反应更剧烈，所以我们说氧气具有助燃性。