“探究过氧化氢分解中二氧化锰作用”的实验改进

摘要

深度分析“探究二氧化锰在过氧化氢分解制氧气中的作用”实验的不足，据此将二氧化锰粘在玻璃棒上进行实验，并借助压强传感器测量氧气产生过程中的气压变化，对比等量等浓度的H₂O₂溶液在分解产生氧气时的压强曲线，说明产生氧气的速率及体积基本没有变化。从定性和定量两个角度说明二氧化锰的催化作用，培养学生的化学学科素养。

Graphical abstract

关键词

实验改进 / 数字化实验 / 压强传感器 / 二氧化锰 / 过氧化氢 / 分解 / 氧气

坚持创新导向、发展科学思维、强化创新意识，成为初中化学培养目标的重要内容，也在学生核心素养培养方面发挥着重要作用^［1］。为体现课标的时代性，课标中多次提及传感器、数字化实验等关键词。数字化实验教学有利于培养学生的化学学科素养，既能提高学生的化学认知及科学探究能力，也能促进教师发展，更有利于深化教师的学科认知，进而创建新型师生关系^［2］。基于以上背景，笔者在分析“探究过氧化氢分解制氧气中二氧化锰的作用”实验基础上，对其进行了必要改进。

1 实验分析

“探究过氧化氢分解制氧气中二氧化锰的作用”是人教版化学九年级上册第二单元第三课题的实验探究课，是学生接触的第二个探究实验。探究蜡烛燃烧实验，主要培养学生观察和描述实验现象的能力，初步让学生体会科学探究的过程，这部分主要是知识与技能方面的学习，属于定性研究。人教版化学九年级上册第五单元第一课题是探究质量守恒定律，对学生的实验探究能力要求更高，学生需要对实验装置、天平是否平衡作出分析、解释，这是学生第一次在化学学科接触定量探究实验^［3］。因此，对第二单元的过氧化氢催化分解制氧气中二氧化锰作用的实验探究，既要指导学生学会观察和描述实验现象，又要在实验分析、评价和定量研究方面实现教学过渡，这样更有利于学生形成严谨求实的科学态度和求真务实、不断探索的科学精神。

人教版化学九年级上册教材设计了3个实验步骤来探究H₂O₂制氧气中二氧化锰的催化作用。① 试管中加入5 mL 5% H₂O₂溶液，把带火星的木条伸入试管，观察现象；②向上述试管中加入少量MnO₂，把带火星的木条伸入试管，观察现象；③待上述试管中没有现象发生时，重新加入H₂O₂溶液，并把带火星的木条伸入试管，观察现象，待试管中没有现象发生时，再重复上述操作，观察现象^［4］。

笔者发现教材实验有以下不足。①现象不明显。将MnO₂直接加入H₂O₂溶液中，二者混合形成黑色悬浊液，不便于观察气泡的产生，另外试管中还产生白色水雾，影响了对带火星木条复燃现象的观察。②安全系数低。后期随着H₂O₂溶液的不断加入，试管中液体逐渐增多，产生的大量气泡极易造成液体外溢，此反应为放热反应，比较危险。③未控制变量。前述步骤③是向步骤②所用的试管中继续添加H₂O₂溶液以进行实验，所以H₂O₂溶液相当于被稀释了；步骤②、步骤③中所产生气泡的快慢并不相同，无法充分说明二氧化锰在反应前后的化学性质不变。④未定量研究。在实验过程中，通过观察、定性判断产生气泡的快慢，但对二氧化锰的催化效果未从定量角度加以说明。⑤药品难分离。从反应后的混合物中分离二氧化锰较困难，二氧化锰粉末在转移过程中易损耗，误差很大，且粉末干燥后再称量耗时较长。

2 实验改进

基于以上不足，笔者利用特制试管、橡胶塞、玻璃棒、注射器、橡皮管、思迈SWT6011压强传感器、药匙、实验数据分析软件，以及精确度为0.01 g的电子秤、502强力胶、二氧化锰、H₂O₂溶液、蜡烛、小木条、电吹风等器材和药品对实验进行了改进。

（1） 利用502强力胶将二氧化锰粘在玻璃棒上，这样就只需要称量反应前后玻璃棒的质量，即可探究二氧化锰在反应前后质量的变化，操作简单。

（2） 利用数字化实验仪器——压强传感器，将压强传感器连接到试管一端，利用注射器向试管中添加H₂O₂溶液；当H₂O₂溶液没过玻璃棒上的二氧化锰时，试管内压强迅速变化，利用计算机软件采集试管内压强数据，绘成图表；数据反映在坐标图中，分析每次添加等量H₂O₂溶液后压强的变化情况，即可对比压强变化值说明二氧化锰化学性质是否改变。实验装置如图1所示。

3 实验步骤及现象分析

改进实验分为6个步骤，数据分析软件可以持续记录整个实验过程中的压强值并同步生成压强变化图象。笔者设置的参数是每秒采集1个数据，实验进行到哪个步骤，就在图象中截取对应步骤的压强变化，截取时间为200 s，便于后期把图象放在一起比较，另外系统会对异常数据进行自动修正。具体实验步骤如下。

（1） 称量粘有二氧化锰的玻璃棒质量，实验前为12.73 g。

（2） 按图1所示组装实验装置，并在计算机上打开实验数据分析软件开始实验，持续采集压强变化数据；用注射器吸取20 mL 5%的H₂O₂溶液，然后向试管中加入5 ml H₂O₂溶液，观察现象后将带火星木条伸入试管中。

现象分析：步骤（2）中试管中出现少量气泡，带火星木条不复燃，同时图象反应出试管内压强变化并不明显，这是因为产生的氧气太少了。

（3） 将表面粘有502强力胶的玻璃棒伸入步骤（2）中的H₂O₂溶液中；一段时间后，再次把带火星木条伸入试管；随即，试管中产生少量气泡，但带火星木条不复燃，压强变化并不明显。

现象分析：由现象可知，玻璃棒和502胶水并不能加快H₂O₂溶液的分解。

（4） 将粘有二氧化锰的玻璃棒再次伸入上述试管中，塞紧橡胶塞，观察现象；待试管中不再有任何变化时，打开橡胶塞，伸入带火星木条。

现象分析：在玻璃棒插入的一瞬间，二氧化锰的表面迅速产生大量气泡，试管中气压迅速增大；随着反应的进行，产生气泡的速率逐渐降低，最后几乎停止；打开橡胶塞后，气压又迅速减小，将带火星木条伸入试管中，带火星木条复燃。结合实验步骤（2）、步骤（3）和步骤（4）的结果，可以对比并得出二氧化锰能改变反应速率的结论。

（5） 把试管中液体倒入废液缸，用电吹风吹干玻璃棒及二氧化锰表面的水分；下移玻璃棒，塞上橡胶塞，再次用注射器向试管中加入5 mL 5% H₂O₂溶液，观察现象；待试管中无任何现象时，打开橡胶塞，伸入带火星木条。

现象分析：在注入H₂O₂溶液后，二氧化锰表面依然迅速产生大量气泡，随后产生气泡速率逐渐降低，最后几乎停止，图象中气压数据迅速增大；打开橡胶塞后，气压又迅速减小，将带火星木条伸入试管中，带火星木条复燃。

（6） 反复多次操作步骤（5）后，取下玻璃棒，吹干水分并再次称量。这一步骤中的现象与步骤（4）、步骤（5）的现象基本一致，且干燥后的玻璃棒及二氧化锰总质量依然为12.73 g。

现象分析：①对实验步骤（4）～步骤（6）中截取的压强坐标图进行叠加，就在同一坐标系中得到3个步骤中的压强变化图象。不难看出，步骤（4）～步骤（6）反应后的压强曲线几乎重合，这说明等量等浓度的H₂O₂溶液在分解时产生氧气的速率及体积基本未变，说明二氧化锰在多次实验过程中化学性质并未改变（图2）。

②对比步骤（1）和步骤（6）中的质量，得出二氧化锰反应前后质量不变；由步骤（2）～（4）中的气泡和带火星木条复燃情况，可以得出二氧化锰能改变H₂O₂溶液分解速率；反复多次操作步骤（5），依然能快速产生大量气泡且带火星木条复燃，能从定性角度判断二氧化锰的化学性质、催化效率没有改变；对比步骤（4）～（6）中得出的压强变化基本相同，又从定量角度说明二氧化锰化学性质没有改变。

综合本节课上述3个方面的对比，达到了培养学生化学反应速率改变的“一变”、质量和化学性质不变的“二不变”的素养目标，最终得出二氧化锰在过氧化氢分解制氧气中是催化剂，起到催化作用这一实验结论。

4 改进优点

（1） 由定性到定量。改进后的实验通过压强传感器将产生的氧气由定性看气泡、验气体，变为看气体压强数据和图象，这就从定量的角度说明了二氧化锰的化学性质不变。

（2） 精准控制变量。向同一注射器中分次添加等量H₂O₂溶液进行试验，控制了H₂O₂溶液体积和浓度的相等，使实验结果更严谨，同时不会因液体的不断增多而外溢，安全系数高。

（3） 数据可视化。采用压强传感器和实验数据分析软件，就能用图象表示氧气引起的压强变化，数据的可视化非但使实验现象直观，更使实验结果具有说服力。

（4） 药品易分离。将二氧化锰粘在玻璃棒上，便于进行固液分离，减少了二氧化锰在转移过程中的损耗，降低了误差，同时便于干燥和称量。

（5） 现象明显。二氧化锰粘在玻璃棒上，当其与H₂O₂溶液反应时，溶液不会变浑浊，气泡现象明显。

5 结语

将二氧化锰固定于玻璃棒并结合压强传感器的使用，使催化剂的特性能定量地以数据和动态曲线方式直观呈现，显著提升了学生的探究兴趣，强化了实验的严谨性。学生在数据采集与分析过程中主动讨论压强变化与反应速率的关系，使科学思维得以深化，教学效果佳。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 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.

[2] 马宏佳.化学数字化实验的理论与实践［M］.北京：人民教育出版社，2016.

[3] 沈莉萍.“过氧化氢制氧气中二氧化锰的作用”实验的教学与思考［J］.化学教与学，2022（12）：74-77，72.

[4] 王晶，郑长龙.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.