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《实验活动1 氧气的实验室制取与性质》
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一、学习目标
宏观辨识与微观探析：观察高锰酸钾受热分解、物质在氧气中燃烧的宏观现象，结合化学反应本质，认知物质变化规律，建立现象与原理的关联。
科学探究与创新意识：规范完成氧气制取与性质实验，自主探究实验操作要点，培养严谨的实验探究思维。
科学态度与社会责任：严守实验安全规范，养成严谨求实的科学态度，树立规范操作、安全实验的责任意识。
证据推理与模型认知：依托实验现象推导实验结论，构建固体加热制气体、气体性质验证的实验模型，提升推理分析能力。
二、新知导入
同学们，我们生活中处处离不开氧气，动植物呼吸、燃料燃烧都需要氧气。工业上可通过分离空气大量制取氧气，但实验室需要少量纯净氧气时，该如何制取？高锰酸钾能否制取氧气？制取氧气需要哪些仪器、遵循什么步骤？收集氧气有哪些方法？氧气又具备哪些典型化学性质？今天我们带着这些问题，通过动手实验探究氧气的实验室制取方法与核心性质。
三、课堂探究
探究主题一：明确实验目的与实验用品
探究问题1：本次实验的核心实验目的有哪些？
结合教材实验内容与化学实验学习要求，梳理本次实验的核心目的。首先需要掌握实验室以高锰酸钾为原料制取氧气的具体原理和完整操作方法，熟练掌握固体加热型气体制备装置的组装、气密性检查、气体收集等基本实验操作。其次，通过木炭、铁丝在氧气中的燃烧实验，直观认识氧气的化学性质，区分氧气与空气的燃烧现象差异。最后，学会观察、记录实验现象，分析实验现象推导实验结论，养成规范、严谨的化学实验探究习惯，提升动手操作和实验分析能力。
探究问题2：梳理本次实验所需的仪器和药品，并说明各仪器的用途
本次实验仪器包含大试管、铁架台（带铁夹）、酒精灯、单孔橡胶塞、玻璃导管、乳胶管、水槽、集气瓶、玻璃片、坩埚钳、药匙、火柴。其中大试管作为反应容器，盛放高锰酸钾固体药品；铁架台用于固定试管，保证实验装置稳定；酒精灯为反应提供加热条件，实现高锰酸钾的分解反应；导管与乳胶管用于导出反应生成的氧气；水槽和集气瓶配合完成排水法收集氧气的操作；玻璃片用于密封集气瓶，防止氧气逸散；坩埚钳用于夹持木炭、铁丝，完成燃烧实验；药匙用于取用粉末状高锰酸钾药品。实验药品主要为高锰酸钾、木炭、细铁丝、澄清石灰水、蒸馏水，分别用于制取氧气、验证氧气助燃性、检验燃烧产物。
探究主题二：探究高锰酸钾制取氧气的反应原理与装置选择
探究问题1：结合反应特点，分析本次实验发生装置的选择依据，梳理装置组成特点
气体发生装置的选择主要依据反应物状态和反应条件。本次实验反应物高锰酸钾为固体，反应需要持续加热，因此选用固体加热型气体发生装置。该装置的核心组成特点为：以大试管为反应容器，搭配酒精灯加热，通过铁架台固定试管，配合单孔橡胶塞和导管导出气体。区别于固液不加热型装置，该装置必须配备加热仪器，且试管为硬质玻璃试管，可承受高温加热，满足固体加热反应的实验要求。
探究问题2：分析氧气的物理性质，推导氧气的收集方法及选择依据
收集气体的方法由气体的密度和溶解性决定。氧气的核心物理性质为不易溶于水，且不与水发生化学反应，因此可采用排水法收集氧气，该方法收集的氧气纯度较高，是本次实验的首选收集方法。同时，氧气的密度略大于空气的平均密度，且常温下不与空气中的成分发生反应，也可采用向上排空气法收集，但该方法收集的氧气纯度略低。结合实验需求，本次实验统一使用排水法收集氧气，便于观察气体收集状态，获取较纯净的氧气用于性质验证实验。
探究主题三：高锰酸钾制取氧气的实验操作步骤探究
探究问题1：实验正式开始前，为什么必须检查装置的气密性？简述气密性检查的操作方法与判断依据
气体制备实验的核心前提是装置密闭，若装置漏气，生成的氧气会从缝隙逸出，导致无法收集到足量氧气，实验失败且浪费药品，因此实验前必须检查装置气密性。具体操作：将实验装置的导管一端伸入水槽的水中，用双手紧握试管外壁，使试管内空气受热膨胀。若观察到导管口有连续均匀的气泡冒出，松开手后导管内形成一段稳定的水柱，证明装置气密性良好；若无气泡冒出或水柱不稳定，说明装置漏气，需检查橡胶塞、导管连接处，重新组装装置后再次检查。
探究问题2：装入高锰酸钾药品时，试管口为什么要放置一团棉花？药品装入试管的规范操作是什么？
高锰酸钾为粉末状固体，加热过程中，试管内空气受热流动，会导致高锰酸钾粉末随气流进入导管，造成导管堵塞，同时会使收集的氧气混入固体杂质，影响气体纯度。试管口放置一团疏松棉花，可有效阻挡高锰酸钾粉末进入导管，避免导管堵塞和氧气不纯的问题。药品装入规范操作：取用高锰酸钾粉末时，用药匙取出适量药品，将试管倾斜，把药匙伸入试管底部，缓慢将药品送入试管，再直立试管，使药品均匀平铺在试管底部，保证药品充分受热，反应更完全。
探究问题3：固定试管时，为什么试管口必须略向下倾斜？铁夹夹持试管的规范位置是什么？
加热固体药品时，试管内壁会产生冷凝水，同时药品中含有的微量水分受热蒸发后会在试管口冷凝成液态水。若试管口向上倾斜，冷凝水会回流至试管底部，高温的试管底部遇冷水会急剧收缩，导致试管炸裂，引发实验安全事故。因此固定试管时必须保持试管口略向下倾斜。铁夹夹持试管的规范位置为距离试管口约三分之一处，夹持松紧适度，过松会导致试管晃动、装置不稳定，过紧会挤压试管，加热时易造成试管破裂。
探究问题4：加热试管的规范操作是什么？为什么不能直接对准药品部位集中加热？
加热操作需遵循“先预热、后集中加热”的原则。点燃酒精灯后，先将酒精灯火焰在试管下方来回移动，对试管整体进行均匀预热，使试管外壁和试管内药品均匀受热，预热完成后，再将酒精灯外焰对准药品所在部位集中加热。禁止直接集中加热的原因：试管玻璃材质受热不均，直接集中加热药品部位，会使试管局部温度急剧升高，而试管其他部位温度较低，温差过大会导致试管炸裂，同时药品局部过热，反应过于剧烈，不利于实验平稳进行。且酒精灯外焰温度最高，必须使用外焰加热，提升加热效率。
探究问题5：排水法收集氧气时，为什么要待导管口气泡连续均匀冒出时再收集？刚开始冒出的气泡是什么气体？
实验初期，试管内留存有大量空气，加热试管后，试管内空气受热膨胀，从导管口排出，因此实验刚开始冒出的气泡是试管内的空气。若此时立即收集，收集的气体中会混有大量空气，导致氧气纯度极低，无法顺利完成后续的氧气性质实验。待加热一段时间后，试管内空气完全排出，导管口冒出的气泡为连续均匀的氧气气泡，此时开始收集，才能获取纯度较高的氧气，保证后续实验现象明显、实验结论准确。
探究问题6：集气瓶收集满氧气后，如何规范取出集气瓶？集气瓶正放在桌面的原因是什么？
当观察到集气瓶瓶口有大气泡向外冒出时，证明集气瓶内水已排尽，氧气已收集满。此时需在水面下用玻璃片完全盖住集气瓶瓶口，保证玻璃片与瓶口紧密贴合，避免空气进入集气瓶。随后将集气瓶平稳移出水面，正放在实验桌面上。集气瓶正放的核心原因是氧气的密度略大于空气密度，正放可减少氧气的自然逸散，长时间保留瓶内氧气，为后续木炭、铁丝燃烧实验提供充足的氧气。若倒放，氧气会快速从瓶口逸出，导致瓶内氧气不足，实验失败。
探究问题7：实验结束后，为什么必须先移出导管，再熄灭酒精灯？颠倒操作会产生什么后果？
实验结束后，若先熄灭酒精灯，试管内温度会快速降低，试管内气体压强减小，形成负压状态。此时水槽中的冷水会在外界大气压的作用下，通过导管倒吸入高温的试管中，高温试管遇冷水急剧冷却收缩，会瞬间炸裂试管，造成仪器损坏和实验安全事故。因此必须遵循“先离后熄”的操作原则，先将导管从水槽中移出，切断水的倒吸路径，再熄灭酒精灯，保证实验安全收尾。
探究主题四：氧气的化学性质验证实验探究
探究问题1：木炭在空气和氧气中燃烧的现象有何差异？燃烧后倒入澄清石灰水的实验目的是什么？
用坩埚钳夹持一小块木炭，在酒精灯火焰上点燃，可观察到木炭在空气中持续红热，燃烧不剧烈，无明亮火焰，放出少量热量。将红热的木炭缓慢伸入盛满氧气的集气瓶中，可观察到木炭剧烈燃烧，发出明亮的白光，放出大量的热，燃烧现象远优于空气中。待木炭燃烧结束后，向集气瓶中倒入少量澄清石灰水，振荡集气瓶，可观察到澄清石灰水变浑浊。该操作的实验目的是检验木炭燃烧的生成物，证明木炭在氧气中燃烧生成了二氧化碳气体，直观验证氧气的助燃性，同时验证化学反应的产物。
探究问题2：铁丝在氧气中燃烧实验的前期处理有哪些？铁丝绕成螺旋状的作用是什么？
铁丝在氧气中燃烧的前期处理至关重要，首先需要用砂纸打磨细铁丝表面，除去铁丝表面的铁锈和氧化层，若不打磨，铁锈会阻碍铁丝的燃烧，导致实验现象不明显甚至实验失败。其次将打磨光亮的细铁丝绕成螺旋状，在铁丝末端系一根火柴梗。铁丝绕成螺旋状的核心作用是增大铁丝与氧气的接触面积，同时聚集燃烧产生的热量，维持铁丝的燃烧温度，防止热量快速散失，保证铁丝能够持续燃烧，让实验现象更加明显。
探究问题3：铁丝燃烧实验中，集气瓶底部为什么要预先留少量水或铺一层细沙？铁丝点燃后为何待火柴快燃尽时再伸入集气瓶？
铁丝在氧气中剧烈燃烧，火星四射，会生成高温的黑色固体四氧化三铁，高温熔融物掉落至集气瓶底部，会使集气瓶底部受热不均，炸裂集气瓶。因此实验前需在集气瓶底部预留少量水或铺一层细沙，缓冲高温熔融物的冲击力，降低温度，防止集气瓶炸裂。铁丝末端的火柴用于引燃铁丝，若火柴未燃尽就伸入集气瓶，火柴燃烧会消耗集气瓶内大量氧气，导致氧气浓度降低，铁丝无法正常燃烧。待火柴快燃尽时伸入集气瓶，既能利用火柴余热引燃铁丝，又能最大程度减少氧气的消耗，保证实验顺利进行。
探究问题4：对比木炭、铁丝在空气和氧气中的燃烧现象，总结氧气的化学性质，分析燃烧剧烈程度不同的原因
通过两组对比实验可得出，氧气具有助燃性（支持燃烧），化学性质比较活泼，能够与多种物质发生燃烧反应。木炭、铁丝在氧气中燃烧远比在空气中剧烈，核心原因是空气中氧气的体积分数约为21%，氧气浓度较低，而集气瓶中为纯净的氧气，氧气浓度极高。可燃物的燃烧剧烈程度与氧气浓度密切相关，氧气浓度越高，可燃物与氧气的接触概率越大，反应越剧烈，燃烧现象越明显，充分体现了反应物浓度对化学反应剧烈程度的影响。
探究主题五：实验误差与异常现象分析探究
探究问题1：收集的氧气纯度偏低，可能的实验原因有哪些？
氧气纯度偏低是本次实验常见误差，主要原因包含多个方面。第一，未待导管口气泡连续均匀冒出就开始收集，将试管内残留的空气收集入集气瓶，混入杂质气体；第二，集气瓶预先装水时，瓶内残留少量气泡，未完全装满水，留存空气；第三，收集完成后，取出集气瓶的过程中，玻璃片密封不严，空气进入集气瓶；第四，装置气密性不佳，实验过程中外界空气进入装置，与氧气混合，导致气体纯度下降。
探究问题2：铁丝伸入氧气瓶中未燃烧，无明显实验现象，分析可能的原因
铁丝燃烧实验失败的常见原因较多，主要分为药品、操作、气体三类。一是铁丝表面铁锈未打磨干净，铁锈不支持燃烧，阻碍铁丝与氧气接触反应；二是火柴燃尽后未及时伸入集气瓶，铁丝温度降低，未达到着火点，无法燃烧；三是集气瓶内氧气纯度太低，无法支持铁丝剧烈燃烧；四是铁丝伸入集气瓶过快，火柴燃烧消耗大量氧气，且高温气流将氧气排出，导致瓶内氧气不足。
探究问题3：加热高锰酸钾过程中，试管出现炸裂现象，分析可能的操作失误原因
试管炸裂均由试管受热不均或骤冷导致，常见操作失误包括：试管口未略向下倾斜，冷凝水回流炸裂试管；未对试管进行预热，直接集中加热药品部位，试管受热不均；实验结束后先熄灭酒精灯，未移出导管，水槽中水倒吸炸裂试管；试管外壁有水珠未擦干就加热，局部温差过大；铁夹夹持试管过紧，加热过程中试管膨胀破裂；酒精灯灯芯接触试管，导致局部过热炸裂。
探究主题六：实验总结与拓展探究
探究问题1：完整梳理高锰酸钾制取氧气的“查、装、定、点、收、离、熄”七步操作核心要点
查：实验前检查装置气密性，确保装置密闭不漏气；装：装入高锰酸钾药品，试管口放置棉花，平铺药品；定：固定试管，试管口略向下倾斜，铁夹夹在试管口1/3处；点：点燃酒精灯，先均匀预热，再外焰集中加热药品；收：气泡连续均匀冒出时排水法收集氧气，集满后水下盖片取出正放；离：实验结束先将导管移出水面；熄：最后熄灭酒精灯，规范收尾实验。七步操作环环相扣，每一步都直接影响实验安全和实验效果，必须严格规范执行。
探究问题2：结合本次实验，总结固体加热型气体制备实验的通用安全注意事项
通过本次高锰酸钾制氧气实验，可总结出固体加热制气体的通用安全规范。第一，实验前必须检查装置气密性，杜绝漏气问题；第二，试管口根据药品特性选择是否放置棉花，防止粉末堵塞导管；第三，加热固体试管口一律略向下倾斜，防止冷凝水回流；第四，加热必须先预热，再集中加热，防止试管炸裂；第五，排水法收集气体结束后，先移导管后灭酒精灯，防止倒吸；第六，高温实验仪器禁止直接接触冷水，避免骤冷破裂；第七，规范使用酒精灯，禁止燃着时添加酒精，防止火灾。
四、课堂总结
实验活动1 氧气的实验室制取与性质（高锰酸钾）
实验装置
发生装置：固体加热型 收集装置：排水法（氧气不易溶于水）
实验步骤（七字口诀）
查→装→定→点→收→离→熄
核心注意事项
试管口放棉花、略向下倾斜；先预热后加热；连续气泡再收集；先离后熄防倒吸；铁丝实验瓶底防水/细沙
五、参考答案
探究主题一答案
1. 实验目的：掌握高锰酸钾制氧气的原理和操作方法，熟练固体加热型实验装置的组装与使用；验证氧气的助燃性，认知氧气的化学性质；学会观察、记录、分析实验现象，培养严谨的科学探究能力和规范的实验操作习惯。
2. 实验仪器及用途：大试管（反应容器）、铁架台（固定装置）、酒精灯（加热）、导管、乳胶管（导出气体）、水槽、集气瓶、玻璃片（收集储存氧气）、坩埚钳（夹持可燃物）、药匙（取用粉末药品）、火柴（点燃酒精灯、引燃可燃物）。实验药品：高锰酸钾（制氧气原料）、木炭、细铁丝（验证氧气性质）、澄清石灰水（检验二氧化碳）、蒸馏水（排水收集、防集气瓶炸裂）。
探究主题二答案
发生装置选择依据：反应物为固体、反应需要加热；装置特点：固体加热型装置，配备酒精灯、硬质试管，可承受高温加热，实现固体加热分解反应。
收集方法：排水法（首选）、向上排空气法；选择依据：氧气不易溶于水且不与水反应，可用排水法；氧气密度略大于空气且不与空气成分反应，可用向上排空气法。
探究主题三答案
1. 气密性检查原因：防止装置漏气，导致氧气逸出，实验失败；操作：导管入水，手握试管，观察气泡、水柱；判断：导管口有连续气泡，松手后形成稳定水柱，气密性良好。
2. 试管口棉花作用：防止高锰酸钾粉末随气流进入导管，堵塞导管、污染氧气；药品操作：试管倾斜，药匙送药品至试管底部，直立试管平铺药品。
3. 试管口略向下倾斜：防止冷凝水回流炸裂高温试管；铁夹位置：距离试管口约1/3处。
4. 加热规范：先来回移动酒精灯预热试管，再外焰集中加热药品；不直接集中加热：防止试管受热不均炸裂，保证反应平稳进行。
5. 待连续气泡收集的原因：初期气泡为试管内空气，立即收集会导致氧气不纯；连续均匀气泡为纯净氧气，可收集高纯度气体。
6. 取瓶规范：水下盖紧玻璃片，平稳移出水面；正放原因：氧气密度略大于空气，减少氧气逸散。
7. 先离后熄原因：防止熄灭酒精灯后试管降温降压，水槽水倒吸炸裂试管。
探究主题四答案
1. 现象差异：木炭在空气中红热、燃烧微弱，在氧气中剧烈燃烧、发白光、放热；澄清石灰水作用：检验燃烧产物二氧化碳，证明木炭燃烧生成二氧化碳。
2. 前期处理：砂纸打磨铁丝除锈、末端系火柴；铁丝螺旋状作用：增大接触面积，聚集热量，维持燃烧温度。
3. 瓶底放水/细沙：防止高温熔融物炸裂集气瓶；火柴快燃尽伸入：减少氧气消耗，保证铁丝燃烧所需氧气浓度。
4. 氧气性质：化学性质较活泼，具有助燃性；燃烧剧烈程度差异原因：氧气浓度不同，浓度越高，燃烧越剧烈。
探究主题五答案
1. 氧气纯度偏低原因：过早收集气体、集气瓶存气泡、装置漏气、取瓶时空气进入。
2. 铁丝未燃烧原因：铁丝除锈不彻底、火柴燃尽未及时伸入、氧气纯度低、过早伸入消耗氧气。
3. 试管炸裂原因：试管口未倾斜、未预热、先熄酒精灯后移导管、试管外壁有水、铁夹夹持过紧、酒精灯接触试管。
探究主题六答案
1. 七步操作要点：查（查气密）、装（装药放棉花）、定（固试管、口向下）、点（先预热后加热）、收（连续气泡收集）、离（先移导管）、熄（后灭酒精灯）。
2. 固体加热实验安全要点：查气密、防粉末堵塞、试管口向下、预热加热、防倒吸、防仪器骤冷、规范使用酒精灯。

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