加热过氧化氢溶液生成氧气的检验探究

1．问题的提出
　　
　　2002年秋季，我校开始使用人教版初中化学课程标准实验教科书。在做加热过氧化氢溶液产生氧气的检验实验时，按教材所叙述的操作要求长时间加热也未能得到满意的实验效果。实验现象与图示现象不相吻合。改换市售原装30%过氧化氢溶液再试之，仍未奏效。
　　
　　2．实验不成功的原因
　　
　　加热过氧化氢溶液生成氧气的同时还会蒸发出大量水蒸气，所以被检验的气体实际上是氧气和水蒸汽的混合气体。氧气在混合气体里最低占多大比例时能使带火星木条复燃呢?笔者将已制好的氧气与空气按一定比例混合进行对比实验，得到表1数据。
　　
　　表1
　　

　　考虑到实际做实验时水蒸汽占混合气体体积分数要比上述对比实验大许多，水的比热又较大，欲使带火星木条复燃，混合气体里氧气的体积分数至少应占52.6%以上。
　　
　　把温度控制在什么范围内能较快获得氧气并达到上述比例呢?笔者在查阅相关资料并经简单计算后得表2数据。
　　
　　表2
　　

　　分析以上数据可知，应将温度控制在80℃以下。但温度过低时过氧化氢溶液分解放氧速度过小，选取加热温度为70℃为好。
　　
　　笔者在容积为50mL的大试管里加入16mL30%的过氧化氢溶液，在恒温70℃时加热长达45min，用排水法(水温45℃)仅收集到23.6mL气体，还不足以排尽试管内原有的空气。继续长时间加热至大试管内空气被排尽，用带火星木条检验，木条仍不复燃。但近距离观察，火星亮度增强。很容易预测的是，在更低温度下加热过氧化氢溶液，生成氧气的速度将更小。因此，水蒸汽对实验的成功有很大干扰。
　　
　　为进一步验证水蒸汽对实验的干扰程度，笔者向装有16mL过氧化氢溶液的大试管里通入已制好的氧气至集满整支试管，保持温度恒为70℃，间隔一定时间分别用带火星木条检验，2min内木条可以复燃，2min以上木条不能复燃。又测得当过氧化氢溶液温度为70℃时试管内产生的混合气体的温度为55℃左右。经简单计算可知55℃时氧气与水蒸汽的混合气体的密度远远小于空气密度。在不断生成氧气的同时氧气又会随水蒸汽被不断排出试管外。
　　
　　由以上几个实验及相关分析可知，实验不成功的原因是:“微微加热”敞口试管内的过氧化氢溶液，生成氧气的速度太小，耗时过长，不能满足课堂教学需要。同时蒸发出的水蒸汽又会带走“微微加热”时难以多得的氧气。这两种因素综合导致试管内氧气体积分数过小。必须对该实验设计加以改进。
　　
　　3．改进实验设计的方法
　　
　　在实验研究中发现，将过氧化氢溶液加热到接近沸腾时产生氧气的速度大大加快，但需除去水蒸汽方可得到较为纯净的氧气。较为简便初学化学的学生又有预备知识的方法是借助常温时的水除去水蒸汽。
　　
　　为此，笔者设计了图1的装置。
　　

　　图1
　　

　　(1)实验操作步骤在大试管里加入约一半体积5%～30%过氧化氢溶液，加热至接近沸腾时先用排水法收集大试管及导气管内的空气、弃之。第二次收集排出的气体即为较纯的氧气。用带火星木条检验，木条即刻复燃。从开始加热到木条复燃，耗时5min以内。
　　
　　(2)实验注意事项为防水倒吸，过氧化氢溶液不可装的太少，以加入1/3～1/2试管为宜。这样也可减少首次收集试管内空气的时间。加热时需不时移动酒精灯，既防止过氧化氢溶液沸腾冲出试管，又防止水倒吸。收集够氧气后即将导气管口移离水面。