简易供氧器制作的实践活动

2024-05-19陈善西

化学教学 2024年2期

陈善西

摘要：通过查阅文献了解制取氧气的现状及发展历程；通过简易供氧器制作拓展知识边界、建构认知新模型和提高工程技术素养等。经过不断地优化制作方案的实践以及系列评价，逐步调整学生的学习态度和方法。这种将理论与实践相结合的方式，可以使教学更符合实情规律，过程更衔接贯通，进而能促进学生综合能力的培养。

关键词：设计制作；简易供氧器；实践活动；过碳酸钠和二氧化锰

文章编号： 1005-6629（2024）02-0066-03

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

教育部《义务教育化学课程标准（2022年版）》中提出，学生跨学科实践活动原则上所用课时不少于本学科总课时的10%［1］，“设计制作简易供氧器”作为项目主题已被纳入初中项目学习的实验教材，其目的是通过变革学习方式以鼓励学生富有创造性地完成学习任务和重构学习经验以突破传统的单一学科学习方法的束缚。

1 问题的提出

1.1 教材供氧器的分析

人教版《化学》上册第33页至40页核心内容是制取氧气，学生通过教材可以掌握实验室制取氧气的原理、气体的发生和收集装置、操作步骤、收集方法和检验方法等。通过资料卡片可以了解到工业上利用低温加压分离液态空气制取氧气，以及教材第80页运用电解法制取氢气和氧气以探究水的组成［2］。

虽然学生根据教材初步认识了制取氧气的方法并能组装简易的发生和收集装置，但所涉及的知识面较窄，思维不够开阔，往往不能够理论联系实际，缺少质疑和批判精神。通过特定需求设计制作简易供氧器可以拓展知识边界、建构新模型、提高工程技术素养等。

1.2 研究现状及分析

近年来，供氧的方式多种多样。如以空气为原料的家庭制氧机，利用分子筛的吸附性能，把空气中的氮气和氧气进行分离得到较高浓度的氧气。以化学试剂为原料，通过化学反应制取氧气，如过碳酸钠与双氧水反应制取氧气；“氧烛”主要以固态含氧化合物为原料，通过催化分解，制备高纯度的氧气；二氧化碳分别与水蒸气和超氧化钾反应制氧等。以水为原料，如潜水艇、航空舱和坑道等在密闭的环境下利用电解水制取氧气。还可以直接利用储存氧供氧。这些特定需求都为设计制作供氧器提供了成功的案例。

特定需求条件下设计制作的供氧器不仅要考虑使用环境和使用对象，还要考虑具体的技术手段、材质的选择、气体的密封性、压强的检测、气体的流速等。

1.3 创设特定需求

鉴于该项目涉及到多门跨学科知识，可以培养学生的综合应用能力和创新能力。如创设“基于野外环境下急救设计制作供氧器”这一实践活动，既要考虑到“野外环境下”可能缺电，不能用电解法制取氧气，还要考虑到“急救”时，制取氧气速度要及时，并能长时间供人呼吸，因此也不能用加热高锰酸钾（或氯酸钾和二氧化锰）的方法来制取氧气。

1.4 满足供氧器的设想

供氧器密封效果要好，便于随身携带，操作简便，制取快速，反应时间长，效果明显。试剂和仪器要便于购买，实验过程要求节能环保。

2 实践活动

2.1 制氧剂选择

查阅文献资料得知，不同制氧剂能实现不同的制氧目标，需要考虑使用场所和试剂的特点。常温下制得氧气的方式主要有以下三种。

（1）利用过碳酸钠和二氧化锰制氧气

过碳酸钠和二氧化锰混合物加入水中后，可迅速产生氧气。

反应原理：2Na2CO3·3H2O22Na2CO3+3H2O2； 2H2O2催化剂

2H2O+O2↑。

（2）利用高锰酸钾和过氧化氢溶液制氧气

過氧化氢溶液和高锰酸钾反应制取氧气分为以下两种情况，均可迅速产生氧气［3］。

反应原理：①酸性条件下：2KMnO4+5H2O2+3H2SO4K2SO4+2MnSO4+5O2↑+8H2O。②中性或碱性条件下：2KMnO4+3H2O22KOH+2MnO2+2H2O+3O2↑。

（3）利用过氧化钠制氧气

过氧化钠与水反应生成氢氧化钠和氧气，也能与二氧化碳反应生成碳酸钠和氧气，但不能与木材、

纸、布等可燃物接触，以免引起燃烧与爆炸，与水猛烈作用产生大量的热易引起火灾。

反应原理：2Na2O2+2H2O4NaOH+O2↑； 2Na2O2+2CO22Na2CO3+O2。

试剂选择分析：以上三种制氧的方式中，因过氧化钠购买极不方便，使用也不安全，故选择放弃。硫酸具有一定的腐蚀性，购买不方便，也不纳入选择范围。高锰酸钾和双氧水均能在药店和网上购买，可以考虑在中性条件下制取氧气。过碳酸钠和二氧化锰固体因其使用安全、购买方便、价格适中，选择作为本次实验的最佳反应试剂。

2.2 设计制作供氧器

（1）实验器材。550mL矿泉水瓶两个，100cm长3.5mm内径输液管一根，100cm长3.3mm内径鼻氧管一根［4］，锥子一个，少量粘土（可用强力胶或嚼过的口香糖代替），牙签，火柴。

（2）设计供氧器。学生根据提供的实验器材建构模型。选择其中一位学生设计的模型如图1所示。

（3）制作供氧器。用锥子把一只矿泉水瓶盖打成单孔，另一只矿泉水瓶盖打成双孔，输液管连接两个瓶孔导气，瓶塞穿刺器（输液管组成的一部分）倒插入双孔瓶盖的另一孔中，鼻氧管连接瓶塞穿刺器，分别用粘土密封连接处［5］。

（4）操作步骤。打开瓶盖，向单孔瓶中倒入200g过碳酸钠和1g二氧化锰，加入250mL水，双孔瓶中加入250mL水，盖紧两个瓶盖。点燃牙签，用带火星的牙签在鼻氧管出气口处检验氧气。戴好鼻氧管，当观察到连续均匀的气泡后开始吸氧。

（5）发布说明。说明反应原理、使用方法和供氧时间（大约50分钟）。

3 改进供氧器

学生设计的第一代供氧器产品实现了从无到有的过程，但还有值得改进的地方。为了鼓励学生创新，可以提出更高的要求：制作的供氧器需经久耐用、携带方便、操作简便并能批量生产［6］。

学生有了第一次经验后，兴趣陡增，开始展开丰富的想象。在不固定实验器材的条件下，一名学生认为第二个矿泉水瓶可以适当缩小，然后摆放在第一个矿泉水瓶中，依然可以通过气泡的快慢来体现氧气产生的速率。

（1）设计供氧器。该学生设计的模型如图2所示。

（2）制作供氧器。用锥子把一只矿泉水瓶盖打成单孔，瓶塞穿刺器倒插入瓶盖孔中，瓶盖内用一只小塑料瓶粘连在瓶盖下方（也可做成螺丝口拧上去），大瓶盖下端和小塑料瓶之间用输液管（可用胶皮管代替）连接，鼻氧管连接瓶塞穿刺器，用强力胶密封连接处。

（3）操作步骤。打开瓶盖，向大瓶中倒入200g过碳酸钠和1g二氧化锰，加入250mL水，小瓶中加入一半容积的水用于洗气和观察气泡产生的快慢，盖紧瓶盖。点燃牙签，用带火星的牙签在鼻氧管出气口处检验氧气。戴好鼻氧管，当观察到连续均匀的气泡后开始吸氧。

（4）发布说明。说明反应原理、使用方法和供氧时间（大约50分钟）。

（5）小组讨论。有学生认为在第二代产品的基础上可以对瓶身进行加高、加宽、附加组合，如增加供氧器把手、背带或者气速传感器等；也可以缩小体积、缩小长度、降低高度、改变形状功能，如供氧器的外形改为弧线形便于握持；还可以用别的材料或方法代替部分功能，如瓶身可用竹筒、塑料、PVC、不锈钢、搪瓷、陶瓷等代替；对瓶内容积可定出500mL、 1000mL、 2000mL等不同類型的标准，便于批量生产降低生产成本；还有学生建议在使用方式中可以尝试智能化操作，以及更换其他实验器材等。

通过小组讨论发现，只要我们能够提供平台，学生的创新思维和设想就会无处不在，层出不穷。

4 活动评价

活动评价是教学工作的重要组成部分，其设计的评价维度见表1。通过本次活动，教师可以诊断学生思维的发展状况，总结教学经验，改进教学工作，引领学生的发展方向。学生也能从活动中及时获得矫正信息，进一步调整自己的学习态度与方法。

5 自制供氧器优点

（1）制氧方法安全，使用安全。

（2）便于随身携带，操作简便。

（3）试剂和仪器价格便宜（一套第一代供氧器价格约为15元左右，一套第二代供氧器价格约为10元左右），且能反复使用。

（4）制取氧气速度快，反应时间长，效果明显。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定，义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京：北京师范大学出版社， 2022： 59～80.

［2］王晶，郑长龙主编. 义务教育教科书·化学［M］. 北京：人民教育出版社， 2012： 37～40.

［3］王丽丽，吴噋艳，张艳华，谭宗俊. 过氧化氢催化分解制备氧气实验改进研究［J］. 化学教学， 2019，（6）： 73～69.