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3.学习小组开展了“设计和制作简易供氧器”的实践活动。
某品牌制氧机(如图1)的制氧剂为二氧化锰和过碳酸钠(化学式为$\ce{2Na_{2}CO_{3}·3H_{2}O_{2}}$,白色固体,遇水后能产生氧气)。
【活动一】认识制氧机。
(1)观察窗的作用是
(2)加湿仓的作用是
【活动二】探究制氧过程。
(3)Ⅰ.反应原理探究。
| 实验操作 | 现象 | 结论 |
| --- | --- | --- |
| 向锥形瓶a中加入1.5 g过碳酸钠；分别加入100 mL蒸馏水,观察；将一根带火星的木条伸入锥形瓶内,用手触摸锥形瓶外壁 | 瓶中有少许气泡产生；带火星的木条不复燃；瓶壁不发烫 | 使用过碳酸钠制氧气,需要加入二氧化锰固体；该反应是放热反应 |
| 向锥形瓶b中加入1.5 g过碳酸钠和0.2 g二氧化锰,混匀 | 瓶中迅速产生大量气泡；①
(4)小组同学向反应后的锥形瓶b中重复多次加入1.5 g过碳酸钠,混匀后均又出现上述现象,反应后将剩余固体过滤、洗净、干燥、称量,固体质量仍为0.2 g,则二氧化锰在此反应中作
Ⅱ.制氧剂的选择。
小组同学想到过氧化氢溶液常温下也可以快速制氧,为什么不选用过氧化氢溶液而选用过碳酸钠呢?于是该兴趣小组对两者的制氧效率进行探究,并筛选合适的制氧剂。
【查阅资料】常温、常压下产生150 mL的氧气,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1.4 g。
【实验方案】
(5)利用图2装置设计如下实验,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 | 1.4 g过碳酸钠和0.2 g二氧化锰 |
(6)实验1中反应的化学方程式为
Ⅲ.加水量的探究。
往锥形瓶中加入1.4 g过碳酸钠、0.2 g $\ce{MnO_{2}}$,再分别加入不同体积的水进行实验。记录20 min内数据如图3所示。
(7)由图3可得出的结论是
【活动三】制作供氧器。
(8)结合图4中数据,制氧剂选择过碳酸钠的依据是
某品牌制氧机(如图1)的制氧剂为二氧化锰和过碳酸钠(化学式为$\ce{2Na_{2}CO_{3}·3H_{2}O_{2}}$,白色固体,遇水后能产生氧气)。
【活动一】认识制氧机。
(1)观察窗的作用是
观察是否有气泡产生和产生气泡的快慢
。(2)加湿仓的作用是
洗气,使氧气具有一定的湿度
。【活动二】探究制氧过程。
(3)Ⅰ.反应原理探究。
| 实验操作 | 现象 | 结论 |
| --- | --- | --- |
| 向锥形瓶a中加入1.5 g过碳酸钠；分别加入100 mL蒸馏水,观察；将一根带火星的木条伸入锥形瓶内,用手触摸锥形瓶外壁 | 瓶中有少许气泡产生；带火星的木条不复燃；瓶壁不发烫 | 使用过碳酸钠制氧气,需要加入二氧化锰固体；该反应是放热反应 |
| 向锥形瓶b中加入1.5 g过碳酸钠和0.2 g二氧化锰,混匀 | 瓶中迅速产生大量气泡；①
带火星的木条复燃
；②瓶壁发烫
| |(4)小组同学向反应后的锥形瓶b中重复多次加入1.5 g过碳酸钠,混匀后均又出现上述现象,反应后将剩余固体过滤、洗净、干燥、称量,固体质量仍为0.2 g,则二氧化锰在此反应中作
催化剂
。Ⅱ.制氧剂的选择。
小组同学想到过氧化氢溶液常温下也可以快速制氧,为什么不选用过氧化氢溶液而选用过碳酸钠呢?于是该兴趣小组对两者的制氧效率进行探究,并筛选合适的制氧剂。
【查阅资料】常温、常压下产生150 mL的氧气,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1.4 g。
【实验方案】
(5)利用图2装置设计如下实验,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 | 1.4 g过碳酸钠和0.2 g二氧化锰 |
9.1
mL水 |(6)实验1中反应的化学方程式为
$2H_2O_2 \stackrel{MnO_2}{=\!=\!=} 2H_2O+O_2 \uparrow$
。Ⅲ.加水量的探究。
往锥形瓶中加入1.4 g过碳酸钠、0.2 g $\ce{MnO_{2}}$,再分别加入不同体积的水进行实验。记录20 min内数据如图3所示。
(7)由图3可得出的结论是
其他条件相同时,过碳酸钠的产氧速率随加水量的增加而增大
。【活动三】制作供氧器。
(8)结合图4中数据,制氧剂选择过碳酸钠的依据是
相同条件下,2～20 min内,过碳酸钠的产氧速率比5%过氧化氢溶液的产氧速率大
。答案
3. (1) 观察是否有气泡产生和产生气泡的快慢 (2) 洗气,使氧气具有一定的湿度 (3) ① 带火星的木条复燃 ② 瓶壁发烫 (4) 催化剂 (5) 9.1 (6) $2H_2O_2 \stackrel{MnO_2}{=\!=\!=} 2H_2O+O_2 \uparrow$ (7) 其他条件相同时,过碳酸钠的产氧速率随加水量的增加而增大 (8) 相同条件下,2～20 min内,过碳酸钠的产氧速率比5%过氧化氢溶液的产氧速率大
解析
【分析】
本题围绕简易供氧器的设计与制作展开，需结合实验现象、催化剂概念、控制变量法等知识逐一分析各问题：
1. 观察窗需观察制氧时的反应情况，判断是否产生氧气及产生速率；
2. 加湿仓是为了让产生的氧气更湿润，适合呼吸；
3. 加入二氧化锰后过碳酸钠分解速率加快，产生大量氧气且反应放热，据此分析现象；
4. 反应前后二氧化锰质量不变，符合催化剂特征；
5. 实验需控制变量，保证过氧化氢和过碳酸钠的体积/质量对应，故注射器加水体积与实验1过氧化氢体积相同；
6. 过氧化氢在二氧化锰催化下分解生成水和氧气；
7. 结合图3的加水量与产氧速率的关系总结结论；
8. 对比过碳酸钠与过氧化氢的产氧速率，确定制氧剂选择依据。
【解析】
(1) 制氧过程中，观察窗可用于观察是否有气泡产生，以及产生气泡的快慢，判断反应进行情况；
(2) 加湿仓能对产生的氧气进行洗气，使氧气带有一定湿度，更适合人体呼吸；
(3) 加入二氧化锰后，过碳酸钠快速分解产生大量氧气，故带火星的木条复燃；同时反应放热，瓶壁发烫；
(4) 二氧化锰在反应前后质量不变，符合“一变两不变”的催化剂特征，作催化剂；
(5) 实验需控制变量，实验1用了9.1mL过氧化氢溶液，实验2需加入9.1mL水，保证其他条件一致；
(6) 过氧化氢在二氧化锰催化下分解，化学方程式为$\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$；
(7) 由图3可知，其他条件相同时，过碳酸钠的产氧速率随加水量的增加而增大；
(8) 对比实验数据，相同时间内过碳酸钠的产氧速率比5%过氧化氢溶液大，故选择过碳酸钠作制氧剂。
【答案】
(1) 观察是否有气泡产生和产生气泡的快慢
(2) 洗气，使氧气具有一定的湿度
(3) ①带火星的木条复燃；②瓶壁发烫
(4) 催化剂
(5) 9.1
(6) $\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$
(7) 其他条件相同时，过碳酸钠的产氧速率随加水量的增加而增大
(8) 相同条件下，2～20 min内，过碳酸钠的产氧速率比5%过氧化氢溶液的产氧速率大
【知识点】
催化剂、氧气的制取、化学方程式书写
【点评】
本题为实验探究题，围绕简易供氧器的设计展开，考查学生对实验现象分析、催化剂概念、控制变量法的应用能力，需结合实验数据和现象推导结论，难度适中。
【难度系数】
0.6
本题围绕简易供氧器的设计与制作展开，需结合实验现象、催化剂概念、控制变量法等知识逐一分析各问题：
1. 观察窗需观察制氧时的反应情况，判断是否产生氧气及产生速率；
2. 加湿仓是为了让产生的氧气更湿润，适合呼吸；
3. 加入二氧化锰后过碳酸钠分解速率加快，产生大量氧气且反应放热，据此分析现象；
4. 反应前后二氧化锰质量不变，符合催化剂特征；
5. 实验需控制变量，保证过氧化氢和过碳酸钠的体积/质量对应，故注射器加水体积与实验1过氧化氢体积相同；
6. 过氧化氢在二氧化锰催化下分解生成水和氧气；
7. 结合图3的加水量与产氧速率的关系总结结论；
8. 对比过碳酸钠与过氧化氢的产氧速率，确定制氧剂选择依据。
【解析】
(1) 制氧过程中，观察窗可用于观察是否有气泡产生，以及产生气泡的快慢，判断反应进行情况；
(2) 加湿仓能对产生的氧气进行洗气，使氧气带有一定湿度，更适合人体呼吸；
(3) 加入二氧化锰后，过碳酸钠快速分解产生大量氧气，故带火星的木条复燃；同时反应放热，瓶壁发烫；
(4) 二氧化锰在反应前后质量不变，符合“一变两不变”的催化剂特征，作催化剂；
(5) 实验需控制变量，实验1用了9.1mL过氧化氢溶液，实验2需加入9.1mL水，保证其他条件一致；
(6) 过氧化氢在二氧化锰催化下分解，化学方程式为$\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$；
(7) 由图3可知，其他条件相同时，过碳酸钠的产氧速率随加水量的增加而增大；
(8) 对比实验数据，相同时间内过碳酸钠的产氧速率比5%过氧化氢溶液大，故选择过碳酸钠作制氧剂。
【答案】
(1) 观察是否有气泡产生和产生气泡的快慢
(2) 洗气，使氧气具有一定的湿度
(3) ①带火星的木条复燃；②瓶壁发烫
(4) 催化剂
(5) 9.1
(6) $\ce{2H_{2}O_{2}\xlongequal{MnO_{2}} 2H_{2}O + O_{2}\uparrow}$
(7) 其他条件相同时，过碳酸钠的产氧速率随加水量的增加而增大
(8) 相同条件下，2～20 min内，过碳酸钠的产氧速率比5%过氧化氢溶液的产氧速率大
【知识点】
催化剂、氧气的制取、化学方程式书写
【点评】
本题为实验探究题，围绕简易供氧器的设计展开，考查学生对实验现象分析、催化剂概念、控制变量法的应用能力，需结合实验数据和现象推导结论，难度适中。
【难度系数】
0.6
