氧气实验室制法中催化剂二氧化锰的创新制作

摘要

氧气实验室制法，存在粉末状二氧化锰回收难的问题。受混凝土制作的启发，将二氧化锰、沙子和水泥按一定比例均匀混合，制成颗粒状二氧化锰，即可避免实验中黑色悬浮物的出现，确保二氧化锰的回收和再利用。结合反应前后颗粒物质量及化学性质的对比分析可知，这一创新改进能够让学生直观认识催化剂“在化学反应前后质量和化学性质都没有变化”这一特点，有助于学生建构相关知识，从而突破教学重难点。

Graphical abstract

关键词

氧气 / 催化剂 / 二氧化锰 / 创新使用 / 固化

催化剂在生产生活、科学研究和化学实验中有着广泛的应用。二氧化锰催化分解过氧化氢溶液制取氧气的实验，因产物无污染、条件温和、操作简便等优点，被现行多版本初中化学教材收录为实验室制取氧气的最常用方法。根据实验原理，反应过程中二氧化锰的质量和化学性质不发生变化，可以循环利用，但由于二氧化锰是粉末状固体，用普通过滤方法或沉降法从反应废液中回收二氧化锰费时费力，造成了实验后二氧化锰大多被废弃的窘境，不符合新课标所倡导的绿色化学理念。

针对这一问题，笔者对催化剂二氧化锰的使用和回收问题进行了探索实践，找到了一条二氧化锰创新使用的简便路径。

1 实验用品

二氧化锰、水泥、沙子、水、药匙、托盘天平、玻璃棒、烧杯、塑胶手套。

2 催化剂二氧化锰的创新使用原理

肖林森^［1］自制“袋泡茶”和“操纵杆”，控制反应物固液接触或分离，很好地解决了二氧化锰回收再利用的问题。但其在实验中使用的二氧化锰是黄豆粒大小的块状颗粒，无法从市场上直接购得，且对于如何将粉末状二氧化锰制成块状，文中没有提及。沙靖^［2］以负载二氧化锰的多孔性砖粒作为催化剂，克服了粉末状二氧化锰催化过氧化氢制氧气的弊端，达到了二氧化锰回收再利用的目的，但制备砖粒操作复杂，不易实现。尽管以上方案并非解决问题的最佳途径，但带给笔者以下启发：寻找能够负载二氧化锰且简单易制的载体，使其成为易从溶液中分离的块状固体，从而降低二氧化锰的回收难度。

混凝土是生活中常见的建筑材料，建筑行业中常将水泥、沙子、石子和水按照一定的配比混合得到具有耐水、耐热性能的混凝土。受混凝土凝固现象的启发，笔者向二氧化锰中加入水泥和沙子，经混匀后制成块状颗粒，待其完全凝固后即可用于过氧化氢催化分解实验，取得了理想实验效果。

3 制作方法

（1） 将水泥、沙子和二氧化锰按2∶7∶2的质量比混合均匀（经试验后得出的最佳配比），并用适量的水（水的质量约为水泥质量的1/2）将其湿润后搅拌均匀，注意水量不要太多，因太多会导致凝固时间较长且不易成型。

（2） 教师戴着塑胶手套取少量混合物，将其团成球形并置于室外自然晾干，即可得到凝固后的二氧化锰颗粒，其成品如图1所示。

4 效果对比

取上述所制颗粒状二氧化锰5～6粒，将其放入广口瓶中；向长颈漏斗中加入适量的过氧化氢溶液，同时向另一相同装置内加入适量的二氧化锰粉末作对照试验。由实验现象可以看出：使用粉末状二氧化锰作为催化剂，反应剧烈且发生装置内产生大量黑色悬浮物，同时产生的气体中含有大量水雾；使用制作的颗粒状二氧化锰作催化剂，其反应产生氧气的速率平稳，便于收集，同时可看到清晰的固液界线，未产生黑色悬浮物，且固化后的颗粒状二氧化锰未出现散粉的情况。

5 回收二氧化锰并验证催化剂的性质

反应结束后，用镊子将颗粒状二氧化锰直接取出，经洗净、烘干后再次称量颗粒状二氧化锰质量，可发现反应前后作为催化剂的二氧化锰质量没有改变。再次将使用后的颗粒状二氧化锰放入新的过氧化氢溶液中，会发现迅速产生大量气泡，说明使用后的二氧化锰仍然能加快过氧化氢的分解速率，从而说明催化剂在化学反应前后的化学性质没有改变。对比分析反应前后的二氧化锰颗粒质量，学生直观认识到催化剂“在化学反应前后的质量和化学性质都没有变化”这一特点。

6 实验创新点

（1） 用颗粒状二氧化锰代替二氧化锰粉末，避免了实验过程中产生黑色悬浮物，便于实验现象的观察及实验结束后的废液处理。

（2） 将二氧化锰、水泥和沙子混合制成颗粒状二氧化锰，方法巧妙，在保证实验有效进行的同时降低了实验后二氧化锰的回收难度。从实验成本来看，水泥和沙子这两种原材料易得、价格低廉且安全系数较高。

（3） 制取的颗粒状二氧化锰产生的氧气气流较均匀，含水量少，便于氧气的检验与收集。

（4） 利用颗粒状二氧化锰可简便快速地验证催化剂在化学反应前后质量和化学性质均不变的真实性。

（5） 固化二氧化锰，能达到重复使用二氧化锰的目的。该方法已在笔者所在学校相关实验中被广泛运用，实现了二氧化锰的重复利用，节约了药品。

数字化实验与传统实验相融合，不仅着眼于实验结果，更关注创新改进其过程。数字化实验为无明显现象的实验打开了“可视化”大门，为传统实验仪器无法完成定量实验的创新设计提供了有力保障^［6］，更能助力学生对知识的深度理解与思考。学生亲历实验全过程，不仅体验到探究的乐趣，更培养了批判性思维和创新实践能力，提升了学生的化学学科素养。

参考文献

[1] 肖林森，利用“袋泡茶”探究催化剂二氧化锰的作用［J］实验教学与仪器，2021，38（7/8）：50-51.

[2] 沙靖，砖粒负载二氧化锰催化过氧化氢制取氧气［J］中学化学教学参考，2012（11）：40. （上接第77页）

[3] 可以将看不见的CO 2 浓度变化过程以数据和曲线的形式直观呈现出来。传感器只对CO₂敏感，减少了常规操作中其他因素的干扰。同时，能增强学生分析数据的能力，便于其深刻理解CO₂溶解度的影响因素。

[4] 实验改进后的思考

基金资助

桓台县教育科学“十四五”规划课题“促进知识理解的化学教学策略研究”(2022HGJ025)

山东省教育发展服务中心2022年度微课题“数字化实验与初中化学教学深度融合的实践研究”(FJ208)