测定医用双氧水浓度实验方案设计及优化
2015-11-25周梅华李德前
文 周梅华 李德前
测定医用双氧水浓度实验方案设计及优化
文 周梅华 李德前
为测定医用双氧水中过氧化氢的浓度，笔者设计了几套实验方案；并通过逐步优化，培养学生的思维能力和操作技能，继而提升实验教学的有效性。过氧化氢溶液俗称双氧水，是初中化学常用的试剂，也是常用的医用消毒剂；也是一种不稳定的物质，随着放置时间的延长会逐渐分解，导致浓度下降。为了深化对溶质质量分数概念的理解，提升学生的化学实验技能，培养他们学以致用的能力，笔者在教学中设计了“测定医用双氧水浓度”的实验；通过对3种实验方案的逐步完善和优化，最终探究出适合学生实验的微型装置。
一、实验原理
根据溶质质量分数的概念，不难写出测定医用双氧水中过氧化氢浓度的数学表达式。
由公式可知，需要测定的数据是溶液质量（双氧水质量）及相应溶液中溶质质量（过氧化氢质量）。其中，溶液的质量既可以直接称质量，也可以量出体积后根据密度公式算出质量；溶质过氧化氢的质量一般通过其分解产物氧气的量来推算，氧气的量既可以测其质量，也可以测其体积。
二、设计实验方案
1.方案Ⅰ
通过测定氧气的质量来计算过氧化氢的质量，实验装置如图1所示。
图1 通过质量差测定氧气质量
（1）测定氧气的质量
根据质量守恒定律可知，反应前后总质量的差值就是反应放出的氧气质量。
（2）确定实验用品
根据托盘天平的感量（精确到0.1g），并兼顾计算的方便，生成氧气的量可以预设为0.8 g左右，则过氧化氢的质量约为1.7 g；再根据医用双氧水浓度（约为3%）和密度（约为1.0 g/mL）可知，双氧水的体积至少为56.7 mL，所以烧杯的规格可选用100 mL的。为了便于控制反应的进行，可以将催化剂二氧化锰放在小试管内。
本实验的用品是：200 g托盘天平、100 mL烧杯、小试管、药匙等，适量的双氧水、二氧化锰等。
（3）实验操作
①先称量100 mL烧杯的质量，为53.7 g。加砝码拨游码到113.7 g，往烧杯内加入双氧水直到天平平衡，则双氧水质量为60 g。
②小试管内放入一定量的二氧化锰（不要让二氧化锰沾在试管外壁，防止称量总质量前就发生反应），然后小心地把小试管管口向上斜靠在盛有双氧水的烧杯内壁，称量反应前总质量（这样便于一次称出总质量，小试管壁外侧黏附的溶液不影响总质量，因为反应后小试管依然放在溶液内称量）。
③小心地把小试管内的二氧化锰倒入烧杯内，振荡烧杯，使反应充分，继续把小试管放入烧杯内，称量反应后总质量，差值则为氧气质量。
（4）实验的优缺点
优点：直接根据差量来测定氧气的质量，操作比较简单。
缺点：托盘天平精确到0.1 g，所以用药量比较大，反应的时间长，且不能保证双氧水全部分解。另外，该反应放出较多热量，使水蒸气逸出多，误差很大。
2.方案Ⅱ
通过测定氧气体积来计算过氧化氢的质量，实验装置如图2所示。
图2 直接测定氧气体积
（1）测定氧气的体积
根据已有的经验，可以选用量筒和广口瓶组装成量气装置［1］，以量取氧气的体积。
（2）确定实验用品
根据氧气的密度为1.429 g/L，如果要收集的氧气量为50 mL，则氧气质量为0.071 45 g，则过氧化氢质量为0.16 g，进而可知3%的双氧水质量为5.3 g；由于此双氧水密度可看作为1.0 g/cm3，所以直接量取双氧水体积5.3 mL。
实验用品是250 mL锥形瓶、150 mL广口瓶、100 mL量筒、分液漏斗、双孔橡皮塞及胶皮管等，适量的双氧水、二氧化锰等。
（3）实验操作
①把分液漏斗和锥形瓶相连，检查装置气密性。
②广口瓶中装满水，然后把上述装置按照图2连接起来。
③在锥形瓶中加入二氧化锰，分液漏斗中加入双氧水，打开活塞，双氧水进入锥形瓶反应，随即气体进入广口瓶，把水压入量筒。
（4）实验的优缺点
优点：直接量取氧气的体积，方便直观。
缺点：由于少量的双氧水生成氧气的体积也是可观的，所以广口瓶内排出的水既快且多，学生不易控制，且该装置误差也较大。
3.方案Ⅲ
由于装置1、装置2需要的实验药品多，误差也比较大，因此从绿色化学角度考虑，利用注射器和小药瓶组合的微型实验测定氧气的体积，实验装置如图3所示。
图3 测定氧气体积的微型装置
（1）测定双氧水和氧气的体积
使用注射器直接量取一定体积的双氧水并且测定生成的氧气体积。
（2）确定实验用品
本实验采用了规格是30 mL的注射器，产生氧气体积需控制在这量程内，可以取中间值约20 mL。据此可知，双氧水约需2 mL。
实验用品是青霉素小药瓶（带有胶皮盖）、30 mL注射器、长短合适的胶皮管等，适量的双氧水、二氧化锰等。
（3）实验操作
①将上述仪器按图3连接，先检查装置气密性：将注射器活塞往后拉，胶皮管变瘪，松开手后，活塞则慢慢回到原处，说明气密性好。
②小药瓶中装入少量二氧化锰，用注射器吸取双氧水2 mL，胶皮管连接注射器，然后把双氧水注入小药瓶中，反复推（目的是使双氧水充分分解），最后读出气体的体积数。
（4）实验数据的处理
量取2 mL医用双氧水（相当于2 g双氧水），氧气体积实际测得为21 mL，则氧气质量为0.03g，根据方程式计算得出过氧化氢质量为0.063 8 g，则根据公式计算：
ω（H2O2）=0.0638g/2g×100%=3.19%
由于测定的医用双氧水标签标示为3%左右，按照实验测定为3.19%，所以该医用双氧水符合标示。
（5）实验优点
①实验操作简便，利于学生实验；
②微型化实验，药品取用少，节约资源；
③在密闭体系内做实验，误差小，环保；
④利用废弃物小药瓶做实验，变废为宝。
三、结束语
该实验方案不仅适用于测定医用双氧水的浓度，同样也适用于能够固-液反应产生气体的实验，不仅能测定气体的体积，也能测定反应的溶液浓度，具有一定的实用性和推广性。化学教学的核心在于观念的教学［2］，用所学知识设计实验解决问题正是化学科学价值观的体现。
［1］巩庆凯，胡贵和.测量气体体积的方法［J］.中学化学教学参考，2012（11）:36.
［2］卢巍.对化学基本观念及“观念建构”教学的认识［J］.当代教育科学，2010（18）:62-64.
作者信息
周梅华，本科，中教高级。常熟市外国语初级中学，215500
李德前，本科，中教特级。徐州市西苑中学，221006
