实验室制取氧气方法的对比及建议

潘国荣+白显圣+陈正美

摘要：讨论了KMnO4、KClO3、H2O2三种物质制取氧气方法的特点，旨在为中学化学教学探寻一种实验室制取氧气的优化方案。通过从成本、操作、环保、安全等对比得出，使用过氧化氢分解制取氧气是一种比较高效、节能、环保、安全的好方法。此结论可为优化实验室制取氧气的方法及相关教学提供有益的参考。

关键词：实验室制氧气；制氧方法对比；实验方案优化

文章编号：1005–6629（2015）9–0045–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

实验室制取氧气是初中化学经典的演示实验和学生实验，由于汞蒸气对人体有毒害，因此，人们已经不再使用氧化汞分解来制取氧气了，现在实验室常用过氧化氢、高锰酸钾和氯酸钾这三种物质的分解反应来制取氧气。我国现行各种版本的义务教育化学教科书在有关实验室制取氧气方法与教学的问题上采取不一样的办法，侧重点也各不相同，显得有些混乱。究竟哪一种物质制取氧气更有优势？能否用一套评价标准来进行综合评估，为中学化学教学中有关实验室制取氧气的方法和教学寻找一种比较优化的方案？下面我们从成本、操作、环保、安全等方面对三种物质分解制取氧气的方法进行综合对比与全面评估。

1 教科书制取氧气方法介绍及比较

我国在实施课程标准[1]以前的人教版全国通用初中化学教科书[2]中，只是介绍了氯酸钾和高锰酸钾分解制取氧气的装置和反应式。在修订版课程标准[3]指导下编制的全国各种版本初中化学教科书介绍的方法是不统一的。鲁教版教科书[4]只介绍了过氧化氢制取氧气的装置和反应式；一些教科书[5，6]则分别介绍了高锰酸钾和过氧化氢制取氧气的装置和反应式；人教版教科书[7]先重点介绍了高锰酸钾分解制取氧气的装置和反应式，再探讨过氧化氢分解制氧中二氧化锰的作用，然后介绍过氧化氢与氯酸钾制取氧气的反应式；粤教版教科书[8]是先探讨过氧化氢在二氧化锰存在下的分解与反应式，再重点介绍高锰酸钾分解制取氧气的装置和反应式，后介绍氯酸钾制取氧气的反应式；沪教版教科书[9]先分别介绍了高锰酸钾和过氧化氢制取氧气的装置和反应式，再介绍氯酸钾制取氧气的反应式。

2 三种物质制取氧气的成本对比

我们从黔东南州凯里市化学试剂与仪器专卖门市部了解到，一般用于中学化学实验室制取氧气的有关物质的化学纯试剂价格（不同时期、不同商家的价格可能有一些差异）情况是：高锰酸钾（500g）50元、氯酸钾（500g）32元、过氧化氢溶液（30%、500mL）9.8元、二氧化锰（500g）58元。我们以生成32g氧气所需要的反应物价格进行比较。

一般使用二氧化锰是氯酸钾的三分之一[10]，因此，消耗二氧化锰的价格是：

81.7÷3×58÷500=3.2（元）

用氯酸钾与二氧化锰制取氧气总的价格是：5.2+3.2=8.4（元）。

2.3 过氧化氢与二氧化锰制取氧气的价格

一瓶500mL过氧化氢溶液的质量大约是555g，所含H2O2的质量为：

由于每次只需要在锥形瓶中放入少量二氧化锰[11]，我们可以假设制取1L氧气需要消耗大约1.0g二氧化锰，则消耗二氧化锰的价格为：

22.4×58÷500=2.6（元）

则用过氧化氢与二氧化锰制取氧气的总价格为：4.0+2.6=6.6（元）。

制取32g氧气的价格对比是：

KMnO4 31.6元>KClO3 8.4元>H2O2 6.6元。

当然上述价格计算没有包括消耗酒精加热所需要的费用，在具体操作中，由于浪费等原因，实际制取氧气的价格要高一些。

3 三种物质在制取氧气实验中存在的问题

高锰酸钾、氯酸钾与过氧化氢三种物质在实验室制取氧气中各有特色，下面分别分析。

3.1 高锰酸钾制取氧气的问题

高锰酸钾制取氧气时需要加热；高锰酸钾粉尘容易进入导管；需要药品数量多而产氧率低；产物中二氧化锰可以回收，而锰酸钾在中学实验室中没有用途，难以回收，只能排放，容易造成环境污染；高锰酸钾加热时腐蚀试管使其变黑，不容易清洗，需要草酸溶液等浸泡一段时间才能脱色，黑色没有了，但是试管的透明性变差了，一支试管使用几次后就几乎报废了。

另外，师生在使用高锰酸钾晶体时，不可避免地掉落少许晶体在实验台上，由于高锰酸钾的强氧化性和颜色深等特点，接触毛巾、皮肤、衣服都会留下灰黑色的痕迹，因此，高锰酸钾晶体粘附到哪里就黑到哪里。使用高锰酸钾晶体制取氧气实验结束后，实验台上的新抹桌帕经常染上黑斑，一些学生手上的皮肤也被腐蚀产生了黑点，这些黑点是难以洗掉的，要等到新皮肤长出来后才会自然脱落，给学生留下了一些化学实验很危险的阴影。

3.2 氯酸钾制取氧气的问题

氯酸钾制取氧气时需要加热；需要事先与二氧化锰混合均匀才能够使反应完全，操作稍微复杂一点；制得的氧气中存在异味；反应后的氯化钾与二氧化锰如果不能进行分离回收，就会造成环境污染。

3.3 过氧化氢制取氧气的问题

过氧化氢制取氧气时不用加热，操作比较简单方便；制得的氧气没有异味，反应产物是水和氧气，实验结束后，二氧化锰只需要过滤、干燥就可以回收而不会造成环境污染。但是，反应速率不好控制，浓度低了反应较慢，浓度高了反应太快，而且放热多，氧气中会含有大量的水蒸气而影响到氧气的性质实验效果。

4 使用三种物质的安全性比较

4.1 高锰酸钾晶体

高锰酸钾是强氧化剂，遇浓硫酸、铵盐能发生爆炸，遇甘油能引起自燃。与有机物、还原剂、易燃物（如硫、磷等）接触或混合时有引起燃烧、爆炸的危险。因此，使用高锰酸钾加热制取氧气时，必须把试管清洗干净。

高锰酸钾有毒，且有强腐蚀性，皮肤接触后会被灼伤呈棕黑色。高锰酸钾纯品致死量约为10g [12]，是公安部门管控的危险物品。

4.2 氯酸钾晶体

氯酸钾是强氧化剂，与硫、磷、碳等还原性物质及有机物、可燃物混合时，经摩擦或撞击后就会发生燃烧和爆炸，甚至会出现自发性的爆发。需要特别注意的是，氯酸钾和磷（无论是哪种形态的磷）混合稍微摩擦，就有猛烈爆炸的危险。因此，使用氯酸钾加热制取氧气时，必须把试管清洗干净，不能混有易燃物品。

氯酸钾有毒，能使血红蛋白变性并分解，误食会引起急性中毒，致死量为10g [13]。

4.3 过氧化氢溶液

高浓度过氧化氢有强烈的腐蚀性，吸入其蒸气或雾对呼吸道有强烈的刺激性。眼睛直接接触液体可致不可逆损伤甚至失明。口服中毒出现腹痛、胸口痛、呼吸困难、呕吐、一时性运动和感觉障碍、体温升高，个别病例出现视力障碍、癫痫样痉挛、轻瘫等[14]。

过氧化氢的沸点是151.2℃，比水高得多。实验室一般使用的是30%过氧化氢溶液，浓度不是很高，通常是在稀释以后使用的，相对比较安全。

4.4 二氧化锰

二氧化锰属于两性氧化物，它是一种常温下非常稳定的黑色粉末状固体。二氧化锰中锰元素处于中间价态，因此它遇强氧化剂时表现为还原性，遇还原剂时表现为氧化性，在酸件介质中是一种强氧化剂。在氯酸钾和过氧化氢的分解反应中作催化剂。

二氧化锰属于一种氧化剂，自身不燃烧，但能够助燃，因此不要和易燃物放置一起。二氧化锰吸入及吞食无害，但是要避免接触眼睛[15]。

5 实验室制取氧气问题的讨论与建议

5.1 使用三种物质制取氧气实验问题比较

（1）从制取得到的氧气价格上看，用高锰酸钾晶体分解制取氧气价格是最高的，大约是氯酸钾制取氧气的3.8倍，是过氧化氢制取氧气的4.8倍。

（2）从制取得到的氧气纯度看，用高锰酸钾晶体分解制得的氧气容易带有KMnO4粉尘，但是没有异味；用氯酸钾制得的氧气稍有异味；过氧化氢制得的氧气用排空气法收集时，有较多的水蒸气。

（3）从制取操作难易程度看，高锰酸钾分解与氯酸钾分解都需要加热，实验操作基本相当，比过氧化氢分解的实验操作稍微复杂一些。

（4）从实验后整理来看，用高锰酸钾晶体加热的试管不能直接清洗干净，必须用草酸等溶液浸泡一段时间才能清洗干净，试管透明度已经变差，抹桌布、皮肤等遇到KMnO4会产生黑色斑点。使用氯酸钾分解与过氧化氢分解后仪器整理和清洗都比较容易。

（5）从安全的角度看，高锰酸钾是公安部门管控的危险物品，是强氧化剂和易爆物品，储存和使用都必须十分小心，而且有毒，误食容易造成生命危险。氯酸钾也是强氧化剂和易爆物品，储存和使用都必须十分小心，而且也有毒，误食容易造成生命危险。过氧化氢也是氧化剂，具有较强的腐蚀性，实验室一般使用的是30%过氧化氢溶液，浓度不是很高，相对而言比较安全。

（6）从环保的角度来看，高锰酸钾分解生成的锰酸钾在中学实验室中没有用途，难以回收，只能排放，容易造成环境污染。而氯酸钾分解生成的氯化钾如果回收作为钾肥，就可以消除污染。过氧化氢分解生成水，没有污染。

（7）从能源消耗来看，工业上生产三种物质时都消耗电能[16]。高锰酸钾分解和氯酸钾分解都需要提供热量才能得到氧气，需消耗能源。过氧化氢的分解不再消耗能源。

（8）从资源消耗来看，高锰酸钾的生产要消耗钾矿和锰矿，氯酸钾的生产要消耗钾矿。过氧化氢的生产，几乎不消耗重要的矿产资源。

5.2 实验室制取氧气的建议

基于以上八个方面的讨论与比较，我们提出几点建议：

（1）教师演示实验和学生实验中用于氧气性质实验的大剂量氧气，尽量采用过氧化氢分解来制取。

（2）作为初中生重要的“知识与技能”，固体加热制氧气的方法教科书必须介绍，但是重点使用的药品应该是氯酸钾而不是高锰酸钾。没有特殊情况，应该尽量避免使用高锰酸钾来制取氧气。氯酸钾制取氧气时，可以采用0.1%左右的氢氧化钠溶液进行排水法收集或让氧气通过碱石灰来消除异味。

（3）中考命题要避免考高锰酸钾制取氧气的操作问题，以配合教科书编排与教师的教学安排，因为考试是指挥棒，有考必教。

6 结束语

通过综合对比与评估，毋庸置疑，在中学化学实验教学中，使用过氧化氢分解制取氧气是一种绿色、高效、安全、节能、经济的好方法。无论中学化学教科书编写专家、中学化学教学研究人员或者一线的中学化学教师都应该大力推荐和使用这个方法，尽量避免使用产率低、有危险、高污染、高能耗的高锰酸钾分解制取氧气法。培养学生的环保、节能意识要从一点一滴抓起，课堂教学是主渠道，我们化学教育工作者具有不可推卸的责任。

参考资料：

[1]中华人民共和国教育部制定.全日制义务教育化学课程标准（实验稿）[S].北京：北京师范大学出版社，2001.

[2][10]程名荣主编.九年义务教育三年制初级中学教科书·化学（全一册）[M].北京：人民教育出版社，2001：15～17.

[3]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[4]毕华林，卢巍主编.义务教育教科书·化学（九年级）（上册）[M].济南：山东教育出版社，2012：88.

[5][11]沈怡文，陈德余主编.义务教育教科书·化学（九年级）（上册）[M].北京：科学普及出版社，2012：36～37.

[6]宋心琦主编.义务教育教科书·化学（九年级）（上册）[M].北京：北京出版社，2013：32～33.

[7]王晶，郑长龙主编.义务教育教科书·化学（九年级）（上册）[M].北京：人民教育出版社，2012：128～129.

[8]江琳才主编.义务教育教科书·化学（九年级）（上册）[M].北京：科学出版社；广州：广东教育出版社，2012：37～39.

[9]王祖浩，王磊主编.义务教育教科书·化学（九年级）（上册）[M].上海：上海教育出版社，2012：35～37.

[12]高锰酸钾_百度百科[DB/OL]. http：//baike.baidu. com/view/846.htm？fr=aladdin.

[13]氯酸钾_百度百科[DB/OL]. http：//baike.baidu. com/view/1820.htm？fr=aladdin.

[14]过氧化氢_百度百科[DB/OL]. http：//baike.baidu. com/view/123617.htm？fr=aladdin.

[15]二氧化锰_百度百科[DB/OL]. http：//baike.baidu. com/view/213848.htm？fr=aladdin.

[16]潘国荣. KMnO4、KClO3与H2O2的用途与工业生产法[J].中学化学，2014，（9）：10～11.