该节课是一节关于制取氧气的综合复习课，建立在人教版化学九年级上册“我们周围的空气”“自然界的水”“化学方程式”等知识与技能学习的基础上。其主要内容包括：①工业制氧的方法；②实验室制氧的方法；③电解水原理；④利用化学方程式的简单计算。在“发射前的氧气从哪儿来”的环节中，深化对液态空气分离法的认识，同时利用分子筛制氧机现场制备高浓度氧气，让学生领悟从混合物中分离物质的基本思路与方法；在探究空间站中现场制氧时，对氧气的制取与水的电解进行复习，同时培养学生设计并搭建实验装置的科学实践能力；在了解电解水制氧效率时，带领学生现场制氧并检验气体产物，计算空间站中用水量这一实际问题；在探究空间站中的二氧化碳到哪儿去时，了解利用过氧化物制氧以及Sabatier反应，归纳空间站中的氧循环，感悟化学学科的应用价值。上述教学内容所涉及的知识点及联系见
图1。
1 教学目标
（1） 基于“空间站中的氧气从哪儿来”的真实情境，系统复习制氧的几种方法与电解水的原理，发展学生的分析、归纳、综合、创新、迁移的科学思维，提高其用学科知识解决真实问题的能力，认识化学创造物质的科学本质。
（2） 设计装置，测定不同时间、不同浓度的过氧化氢溶液制氧的体积，培养学生的科学探究与实践能力，掌握化学实验探究的基本思路与方法；通过电解水并检验气体产物的实验操作，复习氧气的检验方法，增强实验操作技能与实践能力。
（3） 计算1 L水完全电解会产生多少氧气，认识化学反应中各物质的关系，认识定量研究对化学学科发展的重大作用，形成利用化学反应解决物质制备等实际问题的思路，初步体会化学反应与技术、工程的关系。
（4） 以空间站中的氧循环为例，认识物质在自然界中可以相互转化，感悟物质循环对维持人类生活与生态平衡的意义；结合神舟十七号飞船升空的视频，培养学生的爱国主义情怀，坚定文化自信。
2 教学环节流程
3 教学过程
3.1 课堂导入：调查空间站中氧气的来源
播放神舟十七号飞船发射的场景：2023年10月26日，神舟十七号飞船发射升空，3位航天员即将开始在空间站的生活，他们会在空间站待上近6个月，其间大约需要300 000 L氧气，宇航员呼吸需要的氧气从哪儿来？请分析并探究空间站中氧气的来源。
3.2 来源一：发射前从地面携带备用氧气
在储备阶段，环境控制和生命保障系统会为飞船准备大量的备用氧气，携带到太空，以备紧急情况下使用。这些备用氧气如何制取呢？
演示实验：液态空气分离法（
图2），将一支空试管套上气球后放在液氮中，一段时间后取出，观察气球与试管内的变化；取出试管，待气球开始胀大时，去掉气球，将燃着的小木条伸入试管中，观察现象；待观察到试管里剩余的液体约占液体总体积1/4时，再将带火星的木条伸入试管中，观察现象
［1］。学生很快就理解了液态空气分离法就是将空气转化为液态，然后利用混合物沸点的不同，将氧气分离出来。
【学生活动】认识分子筛制氧法。
利用分子筛制氧机现场制氧：打开制氧机开关，将带火星的小木条伸到出气口，观察现象，带火星的小木条复燃。请学生猜测分子筛制氧的原理（氧分子直径0.296 nm，氮分子直径0.304 nm），并绘制微观原理示意图。大部分学生都能绘制出分子筛的原理示意图，基本知道空气中氮分子数量比氧分子多，但仅有少数学生考虑了二者之间的比例关系。
展示资料卡片：神舟十七号3名宇航员在轨1年要耗用大量物资，水约4 t、氧气约2 t，同时生成的废弃物需要占用大量储存空间，航天发射的成本约7万元/kg……
［2］综合经济因素，氧气不能全部都靠携带。工程师还设计了在太空中制取氧气的方案。
【设计意图】创设空间站的情境，复习工业制氧的方法，理解分子筛制氧原理，掌握分离混合物的一般思路与方法，认识化学对人类生活和航天航空工程的重要作用。
3.3 来源二：空间站中电解水制取氧气
【活动1】回顾旧知，根据条件初选空间站中制氧方案。
学生思考已学过的制取氧气的方法有哪些，并写出反应方程式或原理：、、、、利用空气制取氧气……
学生化身工程师，排除部分方案：排除用高锰酸钾和氯酸钾分解制取氧气，两种方案都需要加热；排除掉液态空气分离法，空间站中没有空气，无法用分离空气的方法制取氧气。可选过氧化氢分解或电解水的方法制氧。
【活动2】综合分析，从定性角度优化空间站中制氧方案。
学生比较两种方案的反应条件、反应物储存难易、制氧速率与稳定性多种因素。过氧化氢分解的反应比较迅速，而且不需要通电，反应条件容易达到；但是不容易储存，浓度太高有腐蚀性。水便于储存，反应条件通电可以通过太阳能发电解决，制氧速度比较稳定，可持续供氧。
空间站的氧气在正常条件下以电解水制氧为主，在乘组轮换或电解制氧系统维护期间，高压氧瓶作为电解制氧功能的备份实现辅助供氧
［2］。引导学生思考：为什么空间站不用过氧化氢分解制氧？根据问题设计实验，从定量角度探究过氧化氢的分解速度。
学生设计实验装置（
图3）：通过测定等体积不同浓度的过氧化氢溶液在不同反应时间点的氧气生成量，即可定量测定出过氧化氢的制氧效率。
师生点评方案：作品1利用注射器的刻度测定产生氧气的体积，但是忽略了注射器活塞移动要考虑摩擦力等因素；作品2使用长颈漏斗与锥形瓶组合制取氧气，可以随时添加液体药品，利用装满水的集气瓶与量筒测量体积，整体方案可行，但是没有考虑使用长颈漏斗需要液封的问题；作品3利用注射器加液，可以控制反应速率，并且能够精准地控制加入过氧化氢溶液的体积；设计作品4的学生考虑到即使氧气不易溶于水，但是仍有少量氧气会溶于水，因此在集气瓶中的水面上增加了植物油，避免了部分氧气溶于水的情况，再次提高了测量结果的准确性。不同浓度过氧化氢的制氧效率如
图4所示。
展示电解水的气体体积-时间关系图。结合两种物质的制氧效率与制氧稳定性，总结选用电解水作为空间站主要供氧方式的原因是电解水制氧的速率较为稳定，能够持续供氧。
【活动3】模拟制氧，从定量角度感受电解水制氧效果。
动手制氧：利用电解器进行1 min的电解水操作，并用燃着的木条分别检验电解反应中正负两极产生的气体。定量计算1 L水完全电解可以产生多少氧气？计算发现：每天只需要电解2.6 L水，产生的氧气就可以满足3名宇航员的日常需求了。电解水方案的优点：便于操作、安全性高、稳定性强、制氧效率高。
【设计意图】回忆制取氧气的不同方法，对原理、装置进行复习；能结合信息与学习经验对问题提出合理的猜想；设计实验装置，经历科学实践，增强学生的实践能力与创新意识；以计算为手段，帮助学生从定量角度感悟电解水的效率；组织学生进行电解水实验，对气体产物进行验证，培养其实践能力。
3.4 来源三：利用二氧化碳制取氧气（空间站氧循环）
【活动1】探究过氧化物制取氧气。
演示实验：如
图5所示，在A、B、C 3支试管中分别放入过氧化钠、包有过氧化钠的脱脂棉、过氧化钠（干燥），从吹气口缓缓用力向3支试管里持续吹气，此时的气体一分为三，分别进入3支试管里
［1］，观察现象。B试管内的脱脂棉剧烈燃烧。将带火星的木条分别放在A试管和C试管口，带火星的木条在A试管口会复燃，说明产生了氧气，带火星的木条在C试管口不能复燃。二氧化碳与水蒸气使过氧化钠产生氧气。这种制氧方法目前仍然在潜水艇和医疗中使用。如今有了一种更加便捷与绿色的方式。
【活动2】了解Sabatier反应。
了解法国化学家Sabatier的贡献和生平，学习Sabatier反应可以将二氧化碳转化为水，4H2+CO2=2H2O+CH4，将产生的甲烷排出舱外，将水电解可以产生氧气。
【活动3】归纳空间站中的物质循环路径。
引导学生绘制空间站中的氧循环路径，如
图6所示。利用物质之间的相互转化，工程师设计了再生生保系统，这是长期载人飞行的关键技术，也是实现中国空间站长期载人运行的必备条件，大幅降低了地面补给负担。
【设计意图】借助二氧化碳制氧的原理，帮助学生深刻体会变化观与元素守恒观；引导学生像工程师一样依据原理解决问题，绘制空间站中氧循环的路径，形成环保节能的意识，初步认识科学、技术、环境的相互关系。
4 教学反思
在探究空间站中为何不用过氧化氢制氧时，引导学生从制氧的稳定性与效率等角度探究，以小组为单位设计实验装置，对实验室中的固液不加热装置进行综合复习与应用。但是由于实验的时长（需要近8 min的测定才能绘制出较为直观完整的速率图）及安全性（学生实验只能使用浓度低于5%的过氧化氢溶液）等因素的限制，该探究实验没有完全放手让学生完成，而是由教师直接给出课前经实验测得的图像，省略了学生实验测定的环节，造成学生活动的探究性受到了一定程度的限制。
京公网安备11010202008535号
PDF
(528KB)
