手持技术在中学化学实验中的应用与案例开发

陈伟强

【摘要】本文通过利用手持技术设计实验室制取氧气的实验，测定了双氧水分别在二氧化锰粉末和二氧化锰块状负载催化剂的条件下发生分解反应制取氧气。通过比较试管内温度随时间的变化，让学生更直觀地认识到改变溶液和催化剂的接触面积，可以控制反应与速率。在实验过程中，利用手持技术监测反应过程帮助学生更好地学习与吸收相关化学知识。

【关键词】中学化学;手持技术;催化剂;反应速率;温度传感器

一、教材分析

《制取氧气》是人教版九年级化学教材中第二单元教材内容，主要有“氧气的制取和性质”“二氧化碳的实验室制取与性质”这两个实验活动。而氧气也是中学生从化学性质中学习到的第一个物质。经过前期的学习后，学生也了解了氧气这个生活中必不可少的物质。而制造氧气，也是中学化学学习过程中的首个制备气体实验活动，这个实验也为接下来其它气体的学习打下牢固的基础。所以，在化学教学活动中，制取氧气的地位较高。在本节课的教学活动过程中，教师也要精心准备实验教学活动，在课堂演示中积极引导学生参加教学活动，提高学生的实验能力和化学素养。

二、学情分析

（一）教学目标

1.知识和技能

通过本节课的学习，掌握手持技术温度传感器的应用，了解温度传感器的优势。

2.过程与方法

在学习过程中掌握制取氧气的不同方法，了解不同方法的优点和不足之处。

3.情感态度与价值观

在改进双氧水的过程中制取氧气，切身体会化学知识与实际生活之间的联系，然后学习如何用温度传感器检测改进，最后，在小组合作探讨中完成实验，体会合作学习的意义。

（二）教学重难点

1.教学重点：通过本节课的学习，掌握手持技术温度传感器的应用，了解温度传感器的优势。

2.教学难点：在学习过程中掌握制取氧气的不同方法，了解不同方法的优点和不足之处。

三、实验步骤

（一）课前学习——了解手持技术

在正式实验之前，通过访谈，笔者发现大部分学生都不了解手持技术，也没有使用过。所以，在实验之前，笔者专门花了一节课的时间向学生介绍了手持技术的相关知识，其中，包括了手持技术概念、手持技术相关实验活动等。通过一节课的介绍，学生已经对手持技术有了初步的了解和掌握。

（二）情境导入

教师假设情境：当实验室内存在制取氧气不足情况。

师：同学们，你们知道制取氧气都有哪些方法吗？

学生自主思考、小组探讨不同的制取氧气方法，然后从价格、资源再利用等方面确定制取氧气方法。

（三）回顾知识

教师引导学生将制取氧气的三种方法书写在黑板上：高锰酸钾制取氧气、二氧化锰分解双氧水制取氧气、加热氯酸钾制取氧气。

学生思考三种方法的优缺点，然后从操作简单、安全、环保等方面考量，选择了分解双氧水制取氧气。该方法操作比较简单，而且节能环保，可以节约时间和原料。

在知识的回顾中，可以引导学生深入发掘教材知识，并探讨其中的不足之处。

（四）实验探究

1.实验仪器与药品

（1）实验器材：威尼尔数据采集器（图1）、威尼尔温度传感器（图2）、怡宝矿泉水瓶、蒸发皿、剪刀、酒精灯、玻璃棒、导管、纸槽、试管、试管夹等。

（2）实验药品：二氧化锰粉末、5%过氧化氢溶液。

2.实验步骤

（1）制作二氧化锰块状催化剂：首先，将矿泉水瓶剪成小碎片，然后将其放在蒸发皿上，利用酒精灯加热至其融化，融化后停止融化，并撒上一层二氧化锰粉末。等其开始固化后，用矿泉水瓶盖按压粉末，吸附牢固。待其冷却后，去除未吸附的二氧化锰粉末，并将其剪成细块，这就是二氧化锰块状负载催化剂。

（2）制取氧气：在试管中放5个块状催化剂，然后倒入10毫升5%过氧化氢溶液。这时，块状催化剂的表面会出现很多气泡，利用提放铜丝来控制反应速率，静止2分钟后收取氧气。等反应结束之后，清洗、晾干块状催化剂，重复以上实验步骤。

3.实验数据及分析

（1）本次实验载体是随处可见的矿泉水瓶，瓶身材质是聚乙烯，可以将其制作成能吸附二氧化锰的块状负载催化剂（详见图3）。利用聚乙烯材质制作的催化剂可以防止在实验过程中出现反应速率过快情况，也不会出现黑色浑浊液体（详见图4）。在实验过程中，要注意等块状催化剂开始固化之后才能用瓶盖按压，而蒸发皿加热后需要防止一段时间后才能用冷水清洗。

（2）利用启普发生器控制反应速率，但是大部分初中生不熟悉启普发生器，这也会在一定程度上增加实验难度。在本实验的操作过程中，可以利用光滑的粗铜丝将块状负载催化剂固定在前，然后穿进橡胶塞后搭建反应发生装置（详见图5），利用手动提放铜丝可以更好地控制块状负载催化剂和过氧化氢溶液的接触，然后再加强对反应的控制。需要注意的是，过氧化氢溶液即配即用，要保证铜丝可以穿橡胶塞，并在铜丝外层包裹住不与过氧化氢起反应的软管。

（3）利用0.5g二氧化锰粉末与负载0.5g二氧化锰粉末的块状催化剂分别催化10毫升5%过氧化氢溶液，再利用手持技术随时检测实验过程中的温度变化情况（详见图6和图7）。通过实验结果可以看出，二氧化锰可以让过氧化氢溶液快速分解，二氧化锰粉末的催化速度及反应速率非常快，在15秒左右完全反应。而二氧化锰块状负载催化剂的催化过程则较为平缓，在2分钟左右完全反应。由此可见，利用粉末催化剂制取氧气很难控制，反应速度过快且散热过多，致使收集到的氧气中水蒸气过剩，反应现象也无法准确观察。而块状负载催化器在制取氧气的过程中，溶液和催化剂的接触面积较小，可以更好地控制反应与速率，制取的氧气也较为纯净，可以更好地开展课堂实验教学。

（4）块状催化剂回收操作比较简单，且能反复利用。反复利用完6次之后还有明显的反应（详见图8），可以将使用过的负载催化器冲洗、晾干后妥善保管。

4.实验结论

就安全、操作简单、环保等方面来分析初中化学制取氧气三种方法的好坏，选择了分解过氧化氢来制取氧气。将矿泉水瓶的聚乙烯材质剪碎当作载体来吸附二氧化锰粉末，将其制成块状催化剂。然后，利用块状催化剂催化过氧化氢，分解制成氧气。在实验过程中，利用手持技术监测反应过程，得出此方法有控制反应、操作简单、可以反复回收利用的结论，可以帮助初中生更好地学习与吸收相关化学知识。

（五）小结反思

本次实验较为安全，且操作简单，也从根源上改变了大部分学生“只要能反应就可以做实验原料”的这一理念。矿泉水瓶在生活中十分常见，但是将其黏附二氧化锰粉末，制成块状催化剂，会有效激发学生的学习积极性。在实验过程中，利用手持技術来准确检测反应中的温度变化，也能帮助学生切身感受温度传感器的效果，并体会到和传统一起相比，手持技术的优势。就本次实验教学而言，效果比较成功，学生的反馈也很好。

四、教学反思

在本节课的教学过程中，首先带领学生学习、了解什么是手持技术，然后再在课堂上利用手持技术完成制取氧气的实验。在课后，笔者也进行了一下反思：

（1）学生在手持技术实验活动中得到了明显的发展。对于手持技术，大部分学生都是十分陌生的。但是，初中生的探索欲望较强，在学习中可以很快掌握手持技术的应用方法，也能在实验中不断提高学生的合作能力和实践操作能力。在制取氧气的实验中，学生可以准确掌握化学和现实生活之间的紧密联系，然后在猜测、质疑、实验中求真。等到本次实验结束之后，大部分学生都可以自主完成手持技术实验。

（2）教师在手持技术实验中活动中得到了明显的提高。对于化学教师而言，除了要准确掌握教材中的理论知识外，还要有丰富的实验知识素养。而在本次实验活动中，笔者也和学生共同利用手持技术完成了制取氧气的实验，在加强对手持技术了解的同时，提高了自身实验能力和教学水平。

本节课主要是利用手持技术开展的单一实验，但是手持技术还有着丰富的教学资源，还需要教师深入地学习与探索，在接下来的化学课堂中，带领学生深入地学习与了解，为学生接下来的化学学习奠基牢固的基础。

责任编辑  陈红兵