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1. 新素养 科学思维 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,其微观示意图如图甲所示。该制氧机制得的“氧气”属于
(2) 市场上销售的家用化学试剂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$\ce{2Na_{2}CO_{3} · 3H_{2}O_{2}}$,溶于水后能发生反应:$\ce{2Na_{2}CO_{3} · 3H_{2}O_{2} \xrightarrow{MnO_{2}} Na_{2}CO_{3} + H_{2}O + O_{2}}$,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%的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】利用图乙所示的装置设计如表所示的实验并记录0~20 min 内量筒中水的体积。
(3) 检查乙装置气密性时,关闭弹簧夹b,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中加入水
(5) 依据图丙所示的实验结果,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丁所示的装置。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. 降低吸入氧气的温度
C. 加快氧气生成速率
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,其微观示意图如图甲所示。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$\ce{2Na_{2}CO_{3} · 3H_{2}O_{2}}$,溶于水后能发生反应:$\ce{2Na_{2}CO_{3} · 3H_{2}O_{2} \xrightarrow{MnO_{2}} Na_{2}CO_{3} + H_{2}O + O_{2}}$,且该反应放热)。不采用高锰酸钾分解制氧气的原因可能是
高锰酸钾制取氧气需要加热,操作不便(合理答案均可)
。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%的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】利用图乙所示的装置设计如表所示的实验并记录0~20 min 内量筒中水的体积。
(3) 检查乙装置气密性时,关闭弹簧夹b,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中加入水
9.1
（填“1.41”或“9.1”）mL较为合适。(5) 依据图丙所示的实验结果,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
过碳酸钠制取氧气的速率更快
。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丁所示的装置。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. 降低吸入氧气的温度
C. 加快氧气生成速率
答案
1. (1)混合物 (2)高锰酸钾制取氧气需要加热,操作不便(合理答案均可) (3)不漏气 (4)9.1 (5)② 过碳酸钠制取氧气的速率更快 (6)AB
〔解析〕(1)由题图甲可知,该制氧机制得的“氧气”中仍含有氮气,则该制氧机制得的“氧气”属于混合物。(2)高锰酸钾制取氧气需要加热,所以不便用于家用制氧机中制取氧气。(3)检查题图乙所示装置的气密性时,关闭弹簧夹b,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。(4)对比实验要控制变量,实验1中加入的过氧化氢溶液的体积为9.1 mL,则实验2中加入水的体积较合适的也是9.1 mL。(5)由题图丙可知,相同时间内,过碳酸钠生成的氧气体积更大,则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,理由是过碳酸钠是固体,比过氧化氢溶液便于携带及过碳酸钠制取氧气的速率更快。(6)洗气装置中的水能起到的作用是观察氧气生成速率,降低吸入氧气温度,但它不能加快氧气生成速率,故选AB。
〔解析〕(1)由题图甲可知,该制氧机制得的“氧气”中仍含有氮气,则该制氧机制得的“氧气”属于混合物。(2)高锰酸钾制取氧气需要加热,所以不便用于家用制氧机中制取氧气。(3)检查题图乙所示装置的气密性时,关闭弹簧夹b,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。(4)对比实验要控制变量,实验1中加入的过氧化氢溶液的体积为9.1 mL,则实验2中加入水的体积较合适的也是9.1 mL。(5)由题图丙可知,相同时间内,过碳酸钠生成的氧气体积更大,则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,理由是过碳酸钠是固体,比过氧化氢溶液便于携带及过碳酸钠制取氧气的速率更快。(6)洗气装置中的水能起到的作用是观察氧气生成速率,降低吸入氧气温度,但它不能加快氧气生成速率,故选AB。
解析
【分析】
这道题围绕自制家用制氧机的跨学科实践展开，我们可以顺着题意逐个推导：
1. 第(1)问判断物质类别，只需确认制得的气体是否仅含氧气，结合微观示意图能看到气体中还残留氮分子，因此不属于纯氧。
2. 第(2)问结合家用场景的需求分析，家用制氧机需要操作简便，高锰酸钾制氧需要加热，不符合家用低操作门槛、安全的要求。
3. 第(3)问是气密性检查的现象判断，拉动注射器活塞后装置内压强减小，松手后活塞回弹到原位置，说明装置没有缝隙漏气，外界空气可以正常进入平衡压强。
4. 第(4)问遵循对比实验的控制变量原则，本实验要对比两种制氧剂的产氧效果，除制氧剂种类外其余条件要完全一致，已知过氧化氢组液体体积为9.1mL，因此过碳酸钠组加水体积也要匹配该数值。
5. 第(5)问结合实验图像分析优势，除了固体便于携带的特点，从产氧曲线能看出相同时间内过碳酸钠生成的氧气体积更大，产氧速率更快，更适配家用快速供氧的需求。
6. 第(6)问分析洗气装置中水的作用：观察气泡快慢可以判断氧气生成速率，反应放热时水可以冷却氧气，水没有催化作用无法加快反应速率，据此筛选选项即可。
【解析】
(1) 由微观示意图可知，分子筛分离后得到的气体中同时含有氧分子和氮分子，包含两种不同物质，因此属于混合物。
(2) 高锰酸钾分解制取氧气需要加热的反应条件，操作繁琐，还存在加热带来的安全隐患，不符合家用制氧机操作简便的使用需求，因此不采用该方法。
(3) 关闭弹簧夹b后拉动注射器活塞，装置内部空间变大、压强减小，若装置气密性良好，外界大气压会推动活塞回到初始位置，该现象说明装置不漏气。
(4) 该实验为对比实验，目的是探究不同制氧剂的产氧效果，需要控制除制氧剂种类外的其他变量完全一致，已知实验组1中加入的5%过氧化氢溶液体积为9.1mL，因此实验2中加入水的体积应为9.1mL，保证两组液体总体积相同。
(5) 从实验结果曲线可以看出，相同反应时间内，过碳酸钠产生的氧气体积远大于过氧化氢，说明过碳酸钠的产氧速率更快，能够快速获得氧气，适配便携式制氧机的使用需求。
(6) 选项A：氧气通入水中会产生气泡，通过观察气泡产生的快慢可以直观判断氧气的生成速率，A正确；选项B：题目说明过碳酸钠制氧反应放热，氧气通入水中可以被水冷却，降低吸入氧气的温度，提升使用舒适度，B正确；选项C：水没有催化作用，无法加快氧气生成的反应速率，C错误，因此选AB。
【答案】
(1) 混合物
(2) 高锰酸钾制取氧气需要加热，操作不便（合理即可）
(3) 不漏气
(4) 9.1
(5) 过碳酸钠制取氧气的速率更快
(6) AB
【知识点】
纯净物与混合物判断
装置气密性检验
控制变量法应用
【点评】
本题结合跨学科实践活动命题，紧密联系生活实际，跳出传统氧气制备的课本实验考察框架，既覆盖了基础化学概念、基础实验操作的考点，又着重考察学生利用控制变量思维分析对比实验、结合实际场景解决问题的能力，引导学生将课本知识应用到生活实践中，符合新课标科学思维的素养要求。
【难度系数】
0.7
这道题围绕自制家用制氧机的跨学科实践展开，我们可以顺着题意逐个推导：
1. 第(1)问判断物质类别，只需确认制得的气体是否仅含氧气，结合微观示意图能看到气体中还残留氮分子，因此不属于纯氧。
2. 第(2)问结合家用场景的需求分析，家用制氧机需要操作简便，高锰酸钾制氧需要加热，不符合家用低操作门槛、安全的要求。
3. 第(3)问是气密性检查的现象判断，拉动注射器活塞后装置内压强减小，松手后活塞回弹到原位置，说明装置没有缝隙漏气，外界空气可以正常进入平衡压强。
4. 第(4)问遵循对比实验的控制变量原则，本实验要对比两种制氧剂的产氧效果，除制氧剂种类外其余条件要完全一致，已知过氧化氢组液体体积为9.1mL，因此过碳酸钠组加水体积也要匹配该数值。
5. 第(5)问结合实验图像分析优势，除了固体便于携带的特点，从产氧曲线能看出相同时间内过碳酸钠生成的氧气体积更大，产氧速率更快，更适配家用快速供氧的需求。
6. 第(6)问分析洗气装置中水的作用：观察气泡快慢可以判断氧气生成速率，反应放热时水可以冷却氧气，水没有催化作用无法加快反应速率，据此筛选选项即可。
【解析】
(1) 由微观示意图可知，分子筛分离后得到的气体中同时含有氧分子和氮分子，包含两种不同物质，因此属于混合物。
(2) 高锰酸钾分解制取氧气需要加热的反应条件，操作繁琐，还存在加热带来的安全隐患，不符合家用制氧机操作简便的使用需求，因此不采用该方法。
(3) 关闭弹簧夹b后拉动注射器活塞，装置内部空间变大、压强减小，若装置气密性良好，外界大气压会推动活塞回到初始位置，该现象说明装置不漏气。
(4) 该实验为对比实验，目的是探究不同制氧剂的产氧效果，需要控制除制氧剂种类外的其他变量完全一致，已知实验组1中加入的5%过氧化氢溶液体积为9.1mL，因此实验2中加入水的体积应为9.1mL，保证两组液体总体积相同。
(5) 从实验结果曲线可以看出，相同反应时间内，过碳酸钠产生的氧气体积远大于过氧化氢，说明过碳酸钠的产氧速率更快，能够快速获得氧气，适配便携式制氧机的使用需求。
(6) 选项A：氧气通入水中会产生气泡，通过观察气泡产生的快慢可以直观判断氧气的生成速率，A正确；选项B：题目说明过碳酸钠制氧反应放热，氧气通入水中可以被水冷却，降低吸入氧气的温度，提升使用舒适度，B正确；选项C：水没有催化作用，无法加快氧气生成的反应速率，C错误，因此选AB。
【答案】
(1) 混合物
(2) 高锰酸钾制取氧气需要加热，操作不便（合理即可）
(3) 不漏气
(4) 9.1
(5) 过碳酸钠制取氧气的速率更快
(6) AB
【知识点】
纯净物与混合物判断
装置气密性检验
控制变量法应用
【点评】
本题结合跨学科实践活动命题，紧密联系生活实际，跳出传统氧气制备的课本实验考察框架，既覆盖了基础化学概念、基础实验操作的考点，又着重考察学生利用控制变量思维分析对比实验、结合实际场景解决问题的能力，引导学生将课本知识应用到生活实践中，符合新课标科学思维的素养要求。
【难度系数】
0.7
