用過氧化氫制取氧氣的優越性探討

　　摘 要： 本文利用改進的實驗裝置來進行氧化氫制取氧氣，并與其他三種制氧方法進行比較，從而得出氧化氫制氧有較好的優越性的結論。
　　關鍵詞： 過氧化氫 實驗室制氧 優越性
　　氧氣的實驗室制法歷來都是中學化學教學中的一個重要的學生必做實驗，很多學校都會無一例外地考慮現階段中學化學教材中實驗室制取氧氣的方法，要求學生動手做利用氯酸鉀或高錳酸鉀分解制氧的學生實驗。我注意觀察學生對這兩個實驗的操作，發現很少有學生在第一次做實驗做得流暢，要么實驗現象不明顯，要么氧氣收集不足，要么實驗中氣體產生的速度不易控制等。用過氧化氫制取氧氣，并適當改變其實驗裝置來代替傳統實驗，正是我們探討解決的問題所在。
　　對利用氯酸鉀加熱分解，高錳酸鉀加熱分解，過氧化氫分解，以及過氧化鈉與水反應制取氧氣的方法進行比較探討，以尋求解決傳統實驗室制氧中的問題的方法。對此，我們從以下幾個方面來探討過氧化氫制氧的優越性。
　　一、實驗控制與易操作性
　　傳統實驗室制氧一般采用氯酸鉀和高錳酸鉀加熱分解來制取氧氣，如圖1方法1和方法2所示，在制氧過程中由于氯酸鉀分解產生的氧氣非常快，學生利用排水法收集氧氣，由于缺乏實驗經驗，因此很難在短時間內把產生的氧氣收集完畢，導致收集氧氣過少而影響后期實驗。同時利用高錳酸鉀分解的速度又太慢，導致收集氧氣過程較長而影響整個實驗。而利用過氧化氫取氧和過氧化鈉與水反應制氧實驗，經過對實驗裝置進行一定改進，改進后的實驗裝置如圖1方法3和方法4。利用方法3制氧，我們可以利用分液漏斗來適時調節過氧化氫參與反應的流量，從而有效地控制了實驗中氣體產生的量，利用不同濃度的過氧化氫（一般反應濃度控制在10%～15%）來進行反應，可以有效調節氧氣產生的速度。在實驗室開始之前，先將氣球（氣球體積適當大小）里的空氣盡量排盡，將開關2關閉，打開開關1。實驗開始時，打開分液漏斗的調節開關，讓過氧化氫與二氧化錳混合在一起進行有效反應，氧氣開始產生后5～10s內，讓空氣盡量排空，再關閉開關1，打開開關2，氧氣開始進入氣球，氣球膨脹起來，當估計收集到的氧氣足夠做氧氣的性質實驗時，關閉分液漏斗的開關，停止氧氣的產生。當要進行氧氣的性質實驗時，可以在開關1的玻璃管上端套上導氣管，然后利用排水取氣法進行氧氣的取用，這樣，氧氣的取用量和取用的時間都通過對開關1的調節得到有效控制，保證實驗順利進行。方法4的操作要領與方法3類似，但是方法4，過氧化鈉與水反應有較多的氣泡和大量的熱產生，影響實驗的正常進行。
　　二、實驗裝置簡捷性
　　在化學實驗中，我們要求實驗裝置盡量科學、合理、簡捷。這就要求在實驗現象達到鮮明的同時，實驗所需實驗儀器數量和種類盡量少，實驗操作過程盡量簡單易行。以上四種制取氧氣實驗裝置圖和每一種裝置所需要儀器種類和數量來看，制取裝置分別為固—固裝置和固—液裝置，裝置圖的簡單性無疑是利用過氧化氫、過氧化鈉與水反應制氧顯得特別突出，而用氯酸鉀和高錳酸鉀加熱分解來制氧所需儀器的種類和數量多。
　　三、實驗的綠色性
　　綠色化學已經成為現代化學倡導的化學精神，是指在獲取新物質的化學反應中充分利用參與反應的每個原料原子，實現“零排放”。不僅要充分利用資源，而且不產生污染，并采用無毒無害的溶劑、助劑和催化劑，生產有利于環境保護和人身健康的環境友好產品。四種制氧方法中，都有固體參加反應，有新固體出現的是加熱氯酸鉀、高錳酸鉀和過氧化鈉與水反應，反應剩余物分別為氯化鉀和二氧化錳、錳酸鉀和二氧化錳及氫氧化鈉。而過氧化氫分解制氧中不需要加熱，沒有新固體產生，氣體產生速度快且容易控制、產物為水和氧氣，均為綠色化學產品，對人體和環境均無任何副作用，并且二氧化錳與水的分離比較容易，回收程序簡單，可以重復利用，該反應充分體現綠色化學的思想。
　　四、實驗現象的鮮明性
　　在實驗過程中，實驗現象鮮明、生動、易于觀察是鑒別實驗成功的重要標志之一。在我進行的四種制氧實驗中，氯酸鉀制氧的速度較快，如果使用6g氯酸鉀進行實驗，一般在幾分鐘內氧氣就基本產生完畢，但實驗者需要在較短時間內收集氧氣，就必須做到全局考慮，統籌安排。實驗現象雖然較為鮮明，但實驗初學者很難達到干凈利落收集氣體的實驗要求；高錳酸鉀制氧速度最慢，通常需要加熱較長時間才會有氧氣的制取，實驗現象不太明顯；利用分液漏斗控制過氧化氫實驗用量與二氧化錳做催化劑的情況下，進行制氧現象非常明顯，只要有過氧化氫滴下，馬上就會有氧氣產生，在排除空氣后，馬上收集氣體，立刻會看到氣球迅速鼓起來；過氧化鈉現象類似于過氧化氫的實驗現象，但反應液體泡沫較多。
　　五、實驗的安全性
　　實驗室安全第一，四種實驗室制氧方法到底有哪些潛在的不安全因素存在呢？首先看氯酸鉀制氧法，氯酸鉀俗稱白藥粉，有毒，不能誤入眼、口中，研磨氯酸鉀晶體時，如果藥品中混有少量還原性雜質，就會導致強烈氧化的發生而爆炸。實驗時，如果試管底部一旦低于試管口，由于濕存水就會導致試管破裂。實驗開始時，如果酒精燈預熱不全面或酒精燈加熱位置不對，就會引起試管破裂或藥品噴發出來。實驗完成后，如實驗裝置的拆卸步驟不正確（先移走酒精燈，后取出導氣管），將使水槽內水迅速倒吸，而導致實驗裝置炸裂。其次，看高錳酸鉀制氧法，高錳酸鉀是強氧化物，對皮膚易造成損傷，其他潛在的危險與氯酸鉀制氧法相差不多。最后，來看看過氧化氫分解及過氧化鈉與水反應制取氧法，這兩個反應條件都比較溫和，反應過程中不需要加熱，能量消耗較少，只要控制好過氧化氫的濃度（濃度不宜過高，一般控制在10%～15%為宜，以免濃度過高引起反應過猛而爆炸），并能通過分液漏斗來控制好過氧化氫和水的流速，緩慢逐滴滴入，并且用較大體積的氣球（即使氣球破裂，也沒有實質性的危險發生）來收集氣體，就可以避免因瞬間產生大量氣體而氣壓過大的危險。
　　綜上所述，利用過氧化氫進行實驗室制取氧氣的方法，無論在實驗操作的易控性、實驗的簡單安全性、實驗的綠色性、原料的成本等方面，都是其他三者所不能超越的，具有較好的優越性。
　　參考文獻：
　　[1]孟凡盛.實驗室“綠色制氧”的科學探究[J].中小學實驗與裝備，2003.
　　[2]李廣洲，陸真.化學教學論實驗[M].北京：科學出版社，200