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1. (2025·宿迁泗洪期中)实验室中氧气的制取,让我想到高原旅行由于空气稀薄,吸入的氧气量不足,易引发高原反应;高原空气湿度低,直接吸入干燥氧气会引发呼吸道不适。我在咨询老师并与AI深度交流后,与我的学习小组一起,进行了跨学科实践“高原旅行简易供氧器”的制作。
第一部分:头脑风暴。
“高原旅行简易供氧器”的具体要求与标准。
(1)完成下列表格:
第二部分:简易供氧器模型设计(图1)。
(2)图1中反应仓内发生反应的化学方程式为
第三部分:制作建议。
(3)实际制作中可用生活中常见的塑料瓶作为反应仓和加湿过滤仓(图2),如果要满足安全标准中液体不被吸回反应仓的要求,在两仓之间连接图3中的
(4)为了达到氧气$0.5\ \mathrm{L/min} ∼ 2\ \mathrm{L/min}$的要求,在加湿过滤仓的输出管上,安装一个医用输液调节阀,通过滚动滑轮来精确控制
(5)在反应仓的瓶盖上再增加
第四部分:借题发挥。
后续我们将继续研究“病人急救”简易供氧器的制作。
第一部分:头脑风暴。
“高原旅行简易供氧器”的具体要求与标准。
(1)完成下列表格:
第二部分:简易供氧器模型设计(图1)。
(2)图1中反应仓内发生反应的化学方程式为
$\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$
。第三部分:制作建议。
(3)实际制作中可用生活中常见的塑料瓶作为反应仓和加湿过滤仓(图2),如果要满足安全标准中液体不被吸回反应仓的要求,在两仓之间连接图3中的
①
(填序号)可达目的。(4)为了达到氧气$0.5\ \mathrm{L/min} ∼ 2\ \mathrm{L/min}$的要求,在加湿过滤仓的输出管上,安装一个医用输液调节阀,通过滚动滑轮来精确控制
氧气输出
速度。(5)在反应仓的瓶盖上再增加
调压
小孔,插入一根泄压管。如果反应过于剧烈,产生大量气体导致系统内压力过高,气体就会从这根管子以气泡形式排出,防止反应仓爆炸。第四部分:借题发挥。
后续我们将继续研究“病人急救”简易供氧器的制作。
答案
1.(1) 速率适中 密封性 不需要 蒸馏水 不与试剂、氧气反应且无毒安全
(2) $\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$
(3) ①
(4) 氧气输出
(5) 调压
提示:(1) 制氧方法:高原旅行简易供氧器应具备随时供氧,能够使用一定时间,供氧气流的速率要与人的呼吸频率相近,所以要求反应速率要适中,反应易于控制等。供氧方式:接口处密封性要好,避免氧气泄漏,同时要保证使用时舒适卫生。氧气浓度:因为氧气含量提升至30%以上就能有效缓解症状,所以不需要纯氧。氧气湿度:因为直接吸入干燥氧气会引发呼吸道不适,需要使氧气保持适当湿度,因此,“湿化瓶”内要装有蒸馏水,以保证氧气的湿度,使人吸入时更舒适。安全标准:此装置用于呼吸供氧,所有材料都应无毒安全,且不与试剂和氧气反应。(3) 装置①两根导管刚露出胶塞,当液体被吸入瓶内后,被留存在瓶内,导管口不会进入液面以下,不会有液体吸回反应仓。(4) 为了达到气流速率满足0.5 L/min~2 L/min的要求,需要控制氧气的输出量,通过滚动滑轮来精确控制氧气的输出速度。(5) 当氧气产生速度大于输出速度时,供氧装置内的气压会增大,压强过大易引发安全问题,严重可能会导致装置爆炸,所以在反应仓的瓶盖上再增加一个调压小孔来调节气压,以保证安全。
(2) $\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$
(3) ①
(4) 氧气输出
(5) 调压
提示:(1) 制氧方法:高原旅行简易供氧器应具备随时供氧,能够使用一定时间,供氧气流的速率要与人的呼吸频率相近,所以要求反应速率要适中,反应易于控制等。供氧方式:接口处密封性要好,避免氧气泄漏,同时要保证使用时舒适卫生。氧气浓度:因为氧气含量提升至30%以上就能有效缓解症状,所以不需要纯氧。氧气湿度:因为直接吸入干燥氧气会引发呼吸道不适,需要使氧气保持适当湿度,因此,“湿化瓶”内要装有蒸馏水,以保证氧气的湿度,使人吸入时更舒适。安全标准:此装置用于呼吸供氧,所有材料都应无毒安全,且不与试剂和氧气反应。(3) 装置①两根导管刚露出胶塞,当液体被吸入瓶内后,被留存在瓶内,导管口不会进入液面以下,不会有液体吸回反应仓。(4) 为了达到气流速率满足0.5 L/min~2 L/min的要求,需要控制氧气的输出量,通过滚动滑轮来精确控制氧气的输出速度。(5) 当氧气产生速度大于输出速度时,供氧装置内的气压会增大,压强过大易引发安全问题,严重可能会导致装置爆炸,所以在反应仓的瓶盖上再增加一个调压小孔来调节气压,以保证安全。
解析
【分析】
本题围绕“高原旅行简易供氧器”的制作展开，结合化学知识与实际应用解决相关问题：
1. 反应仓的反应是实验室制取氧气的常用反应，需回忆过氧化氢分解的化学方程式；
2. 防止液体倒吸的装置选择，需理解导管位置对防倒吸的作用，导管刚露出胶塞可避免液体被吸回；
3. 控制氧气流量需通过调节阀调节氧气输出速度，满足速率要求；
4. 反应仓需调压小孔，用于调节系统压力，防止压力过高引发爆炸。
【解析】
（2）反应仓内是过氧化氢在二氧化锰催化下分解生成水和氧气，化学方程式为$\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$；
（3）要防止液体被吸回反应仓，需选择导管刚露出胶塞的装置，即图中的①，该装置中导管口不会进入液面，可避免倒吸；
（4）医用输液调节阀的作用是精确控制氧气的输出速度，使氧气流量达到$0.5\ \mathrm{L/min} ∼ 2\ \mathrm{L/min}$的要求；
（5）反应过于剧烈时系统内压力会过高，需在反应仓瓶盖上增加调压小孔，插入泄压管调节气压，防止爆炸。
【答案】
（2）$\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$；（3）①；（4）氧气输出；（5）调压
【知识点】
氧气的实验室制取、实验装置的安全设计
【点评】
本题为跨学科实践类题目，将化学知识与实际生活应用结合，考查学生对氧气制取反应的掌握，以及实验装置安全设计、实际操作的理解，注重理论联系实际，提升学生的实践应用能力。
【难度系数】
0.7
本题围绕“高原旅行简易供氧器”的制作展开，结合化学知识与实际应用解决相关问题：
1. 反应仓的反应是实验室制取氧气的常用反应，需回忆过氧化氢分解的化学方程式；
2. 防止液体倒吸的装置选择，需理解导管位置对防倒吸的作用，导管刚露出胶塞可避免液体被吸回；
3. 控制氧气流量需通过调节阀调节氧气输出速度，满足速率要求；
4. 反应仓需调压小孔，用于调节系统压力，防止压力过高引发爆炸。
【解析】
（2）反应仓内是过氧化氢在二氧化锰催化下分解生成水和氧气，化学方程式为$\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$；
（3）要防止液体被吸回反应仓，需选择导管刚露出胶塞的装置，即图中的①，该装置中导管口不会进入液面，可避免倒吸；
（4）医用输液调节阀的作用是精确控制氧气的输出速度，使氧气流量达到$0.5\ \mathrm{L/min} ∼ 2\ \mathrm{L/min}$的要求；
（5）反应过于剧烈时系统内压力会过高，需在反应仓瓶盖上增加调压小孔，插入泄压管调节气压，防止爆炸。
【答案】
（2）$\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$；（3）①；（4）氧气输出；（5）调压
【知识点】
氧气的实验室制取、实验装置的安全设计
【点评】
本题为跨学科实践类题目，将化学知识与实际生活应用结合，考查学生对氧气制取反应的掌握，以及实验装置安全设计、实际操作的理解，注重理论联系实际，提升学生的实践应用能力。
【难度系数】
0.7
2. (2025·徐州沛县期中)兴趣小组开展“自制简易家庭制氧机”的跨学科实践活动。
活动一:探秘制氧原理。
目前市场上常见的家用制氧机的工作原理有两种:分子筛制氧法和化学试剂法。
(1)分子筛制氧法以空气为原料,当空气经过分子筛时,氮气和氧气分离,获得高浓度的氧气。其微观示意图如图所示。则该制氧机制得的“氧气”属于
(2)市场上销售的家用化学试剂制氧机的主要原料一般是过氧化氢溶液或过碳酸钠固体(化学式为$2Na_2CO_3·3H_2O_2$,溶于水后能发生反应:$2Na_2CO_3·3H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} Na_2CO_3 + H_2O + O_2$,且该反应放热),不采用高锰酸钾分解制氧气的原因可能是
活动二:选择制氧试剂。
【查阅资料】常温常压下产生150 mL氧气,以5%过氧化氢溶液为制氧剂需要9.1 mL;以过碳酸钠为制氧剂需要1.41 g。
【实验方案】利用下图装置设计下表实验并记录0~20 min量筒中水的体积。
|实验|锥形瓶中试剂|注射器中试剂|
| ---- | ---- | ---- |
|实验1|0.2 g二氧化锰|9.1 mL 5%过氧化氢溶液|
|实验2|1.41 g过碳酸钠和0.2 g二氧化锰|一定体积的水|
(3)检查装置气密性时,先堵住末端导管口,将注射器活塞拉动到一定位置,松开手后,活塞回到原位置,说明装置
(4)实验2中水的体积较合适的是
(5)依据如图所示实验结果,小组同学决定选用过碳酸钠固体作为便携式制氧机的制氧剂,理由是:
①过碳酸钠是固体,比过氧化氢溶液便于携带;
②
活动三:自制制氧装置。
(6)小组同学利用饮料瓶、吸管等废旧物品设计并制作了如图所示装置。洗气装置中的水除了有过滤杂质、提纯氧气的作用外,还可以起到的作用是
A. 观察氧气生成速率
B. 降低吸入氧气温度
C. 加快氧气生成速率
活动四:成果交流展示。
(7)小组同学将自制简易家用制氧机在原版本的基础上经历了如图所示的迭代优化,请写出改进后装置的一个优点:
请做P95滚动强化4!
活动一:探秘制氧原理。
目前市场上常见的家用制氧机的工作原理有两种:分子筛制氧法和化学试剂法。
(1)分子筛制氧法以空气为原料,当空气经过分子筛时,氮气和氧气分离,获得高浓度的氧气。其微观示意图如图所示。则该制氧机制得的“氧气”属于
混合物
(填“纯净物”或“混合物”)。(2)市场上销售的家用化学试剂制氧机的主要原料一般是过氧化氢溶液或过碳酸钠固体(化学式为$2Na_2CO_3·3H_2O_2$,溶于水后能发生反应:$2Na_2CO_3·3H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} Na_2CO_3 + H_2O + O_2$,且该反应放热),不采用高锰酸钾分解制氧气的原因可能是
高锰酸钾制氧气需要加热,操作复杂
。活动二:选择制氧试剂。
【查阅资料】常温常压下产生150 mL氧气,以5%过氧化氢溶液为制氧剂需要9.1 mL;以过碳酸钠为制氧剂需要1.41 g。
【实验方案】利用下图装置设计下表实验并记录0~20 min量筒中水的体积。
|实验|锥形瓶中试剂|注射器中试剂|
| ---- | ---- | ---- |
|实验1|0.2 g二氧化锰|9.1 mL 5%过氧化氢溶液|
|实验2|1.41 g过碳酸钠和0.2 g二氧化锰|一定体积的水|
(3)检查装置气密性时,先堵住末端导管口,将注射器活塞拉动到一定位置,松开手后,活塞回到原位置,说明装置
不漏气
(填“漏气”或“不漏气”)。(4)实验2中水的体积较合适的是
9.1
(填“1.41”或“9.1”)mL。(5)依据如图所示实验结果,小组同学决定选用过碳酸钠固体作为便携式制氧机的制氧剂,理由是:
①过碳酸钠是固体,比过氧化氢溶液便于携带;
②
相同时间内,过碳酸钠产生的氧气更多
。活动三:自制制氧装置。
(6)小组同学利用饮料瓶、吸管等废旧物品设计并制作了如图所示装置。洗气装置中的水除了有过滤杂质、提纯氧气的作用外,还可以起到的作用是
AB
(填字母)。A. 观察氧气生成速率
B. 降低吸入氧气温度
C. 加快氧气生成速率
活动四:成果交流展示。
(7)小组同学将自制简易家用制氧机在原版本的基础上经历了如图所示的迭代优化,请写出改进后装置的一个优点:
方便携带(或节约材料)
。请做P95滚动强化4!
答案
2.(1) 混合物
(2) 高锰酸钾制氧气需要加热,操作复杂
(3) 不漏气
(4) 9.1
(5) 相同时间内,过碳酸钠产生的氧气更多
(6) AB
(7) 方便携带(或节约材料)
提示:(1) 由图可知,该制氧机制得的“氧气”中仍含有氮气,属于混合物。(4) 对比实验要控制变量唯一,实验1中加入过氧化氢溶液的体积为9.1 mL,则实验2中加入水的体积也为9.1 mL。(5) 由图可知,相同时间内,过碳酸钠产生氧气的体积更大。(6) 氧气通过洗气装置,可通过观察水中产生气泡的快慢判断氧气的生成速率;洗气装置中的水能降低吸入氧气的温度,但不能加快氧气生成速率。
(2) 高锰酸钾制氧气需要加热,操作复杂
(3) 不漏气
(4) 9.1
(5) 相同时间内,过碳酸钠产生的氧气更多
(6) AB
(7) 方便携带(或节约材料)
提示:(1) 由图可知,该制氧机制得的“氧气”中仍含有氮气,属于混合物。(4) 对比实验要控制变量唯一,实验1中加入过氧化氢溶液的体积为9.1 mL,则实验2中加入水的体积也为9.1 mL。(5) 由图可知,相同时间内,过碳酸钠产生氧气的体积更大。(6) 氧气通过洗气装置,可通过观察水中产生气泡的快慢判断氧气的生成速率;洗气装置中的水能降低吸入氧气的温度,但不能加快氧气生成速率。
解析
【分析】
本题围绕自制简易家庭制氧机的跨学科实践活动展开，需结合化学基础知识和实验探究方法逐一分析各问题：
1. 第(1)问：根据微观示意图，判断制得的“氧气”是否仅由氧分子构成，若含其他分子则为混合物；
2. 第(2)问：对比高锰酸钾制氧的条件（加热）与家用制氧的简易需求，分析不适用的原因；
3. 第(3)问：装置气密性检查的原理是利用气压差，活塞拉动后松开能回位，说明装置不漏气；
4. 第(4)问：对比实验需遵循控制变量原则，除制氧试剂外，其他条件（如加入液体体积）应一致，因此实验2中水的体积需与实验1中过氧化氢溶液体积相同；
5. 第(5)问：结合实验结果图，对比两种试剂在相同时间内产生氧气的体积，得出选用过碳酸钠的另一优势；
6. 第(6)问：分析洗气装置中水的作用，结合选项逐一判断：气泡快慢可反映速率，水可降温，不能加快反应；
7. 第(7)问：从便携性、材料利用等角度，分析改进后装置的优点。
【解析】
(1) 由微观示意图可知，分子筛制氧后所得“氧气”中仍含有未分离的氮气等其他气体，因此属于混合物；
(2) 高锰酸钾分解制氧气需要加热，操作复杂，不符合家用制氧机的简易需求，故不采用；
(3) 检查气密性时，拉动活塞后装置内气压减小，松开手后活塞回到原位置，说明装置内外气压恢复平衡，装置不漏气；
(4) 对比实验需控制变量唯一，实验1中加入过氧化氢溶液的体积为9.1 mL，因此实验2中加入水的体积也应为9.1 mL，保证其他条件一致；
(5) 由实验结果可知，相同时间内，过碳酸钠产生的氧气更多，因此选用过碳酸钠固体；
(6) 氧气通过洗气装置时，可通过观察水中气泡产生的快慢判断氧气生成速率，同时水可以降低吸入氧气的温度，但不能加快氧气生成速率，故选AB；
(7) 改进后的装置多利用废旧物品制作，优点是方便携带（或节约材料等，合理即可）。
【答案】
(1) 混合物
(2) 高锰酸钾制氧气需要加热，操作复杂
(3) 不漏气
(4) 9.1
(5) 相同时间内，过碳酸钠产生的氧气更多
(6) AB
(7) 方便携带(或节约材料，合理即可)
【知识点】
物质的分类、氧气的制取、实验设计与评价
【点评】
本题为跨学科实践题，紧密结合家用制氧机的实际应用场景，考查化学基础知识在生活中的迁移运用，注重实验分析和控制变量法的应用，难度适中，能有效考查学生的综合实践能力。
【难度系数】
0.6
本题围绕自制简易家庭制氧机的跨学科实践活动展开，需结合化学基础知识和实验探究方法逐一分析各问题：
1. 第(1)问：根据微观示意图，判断制得的“氧气”是否仅由氧分子构成，若含其他分子则为混合物；
2. 第(2)问：对比高锰酸钾制氧的条件（加热）与家用制氧的简易需求，分析不适用的原因；
3. 第(3)问：装置气密性检查的原理是利用气压差，活塞拉动后松开能回位，说明装置不漏气；
4. 第(4)问：对比实验需遵循控制变量原则，除制氧试剂外，其他条件（如加入液体体积）应一致，因此实验2中水的体积需与实验1中过氧化氢溶液体积相同；
5. 第(5)问：结合实验结果图，对比两种试剂在相同时间内产生氧气的体积，得出选用过碳酸钠的另一优势；
6. 第(6)问：分析洗气装置中水的作用，结合选项逐一判断：气泡快慢可反映速率，水可降温，不能加快反应；
7. 第(7)问：从便携性、材料利用等角度，分析改进后装置的优点。
【解析】
(1) 由微观示意图可知，分子筛制氧后所得“氧气”中仍含有未分离的氮气等其他气体，因此属于混合物；
(2) 高锰酸钾分解制氧气需要加热，操作复杂，不符合家用制氧机的简易需求，故不采用；
(3) 检查气密性时，拉动活塞后装置内气压减小，松开手后活塞回到原位置，说明装置内外气压恢复平衡，装置不漏气；
(4) 对比实验需控制变量唯一，实验1中加入过氧化氢溶液的体积为9.1 mL，因此实验2中加入水的体积也应为9.1 mL，保证其他条件一致；
(5) 由实验结果可知，相同时间内，过碳酸钠产生的氧气更多，因此选用过碳酸钠固体；
(6) 氧气通过洗气装置时，可通过观察水中气泡产生的快慢判断氧气生成速率，同时水可以降低吸入氧气的温度，但不能加快氧气生成速率，故选AB；
(7) 改进后的装置多利用废旧物品制作，优点是方便携带（或节约材料等，合理即可）。
【答案】
(1) 混合物
(2) 高锰酸钾制氧气需要加热，操作复杂
(3) 不漏气
(4) 9.1
(5) 相同时间内，过碳酸钠产生的氧气更多
(6) AB
(7) 方便携带(或节约材料，合理即可)
【知识点】
物质的分类、氧气的制取、实验设计与评价
【点评】
本题为跨学科实践题，紧密结合家用制氧机的实际应用场景，考查化学基础知识在生活中的迁移运用，注重实验分析和控制变量法的应用，难度适中，能有效考查学生的综合实践能力。
【难度系数】
0.6
