跨学科实践活动04 基于特定需求设计和制作简易供氧器（原卷版）

跨学科实践活动04基于特定需求设计和制作简易供氧器命题点一制氧器的工作原理命题点二不同制氧器的优缺点分析命题点三简易制氧器的设计一、氧气的性质1．氧气的物理性质色、味、态密度溶解性三态变化通常状况下，无色无味气体比空气____________溶于水加压降温可变为______色的液体或______色的雪花状的固体2．氧气的化学性质氧气的化学性质____________，氧气具有______。（1）氧气能支持燃烧①操作：把带有火星的木条伸到盛有氧气的集气瓶中。②现象及结论：____________，说明氧气能____________。③应用：用于检验氧气：将________________________，若复燃则是氧气。（2）物质与氧气的反应①木炭与氧气反应实验现象木炭在空气中燃烧____________，在氧气中燃烧比在空气中更旺，发出______，放出______，生成一种________________________。实验结论木炭燃烧生成二氧化碳化学方程式C+O2CO2②硫粉与氧气反应实验现象硫（______色粉末）在空气中燃烧发出____________火焰，在氧气中燃烧发出____________火焰，放出______，生成一种__________________。实验结论硫燃烧生成二氧化硫化学方程式S+O2SO2③细铁丝与氧气反应实验现象细铁丝在空气中不燃烧，在氧气中____________，____________，放出大量热，生成____________实验结论细铁丝燃烧生成四氧化三铁化学方程式3Fe+2O2Fe3O4注意事项集气瓶底放一些水或沙子的目的：________________________；铁丝绕成螺旋状的目的：____________；铁丝下端系火柴的目的：____________；火柴快燃尽才伸入瓶内的目的：__________________二、氧气的制取1．工业制取氧气（1）方法：一般采用__________________。（2）原理：利用液态氮和液态氧的____________，属于物理变化。（3）储存：为了便于储存、运输和使用，通常把氧气加压后储存在______的钢瓶中。2．氧气的实验室制取（1）高锰酸钾分解制取氧气①试剂：高锰酸钾（______色固体）②化学方程式________________________③装置：________________________④高锰酸钾制氧气的操作步骤：______：连接好装置并检查装置气密性。______：装入试剂（药匙或纸槽）试管口塞一团______，____________。______：固定试管时，__________________（防止__________________）铁夹夹在试管的中上部，导管伸入试管________________________。______：点燃酒精灯加热，先使试管____________（______），后在固体试剂部位用酒精灯外焰加热。______：收集气体。排水法收集：当__________________时开始收集；当________________________，氧气______，在水下用玻璃片盖住瓶口移出水槽，正放在桌面上，防止气体逸出。向上排空气法收集：集气瓶正放在桌面上，____________（____________），将__________________，若复燃，则氧气已收集满。______：将导管撤离水槽______：熄灭酒精灯停止加热先将导气管移出水面，后熄灭酒精灯，________________________。（2）过氧化氢分解制取氧气①试剂：过氧化氢溶液（主要成分H2O2）和二氧化锰（黑色粉末MnO2）②化学方程式：________________________注：MnO2在该反应中是____________，起____________③装置：____________型三、实验室制取气体装置的选择发生装置（考虑反应物状态和反应条件）收集装置（气体的密度和溶解度）____________反应物是固体反应需要加热____________反应物是固体和液体，反应不加热____________适合____________的气体____________适合____________的气体____________适合____________的气体适合高锰酸钾制氧气适合过氧化氢制氧气气体从短管进集气瓶，水从长管排出气体从长管进集气瓶，空气从短管排出气体从短管进集气瓶，空气从长管排出四、常见的制氧器制取氧气的方式与途径命题点一制氧器的工作原理【典例1】下图是某班级项目学习小组同学利用塑料瓶、吸管等生活用品设计出的简易供氧器。下列说法正确的是A．反应仓的药品可以是氯酸钾和二氧化锰 B．使用前，加湿仓应注满水C．加湿仓类似于排水集气装置 D．加湿仓利用了氧气不易溶于水的物理性质【变式1-1】如图是学生制作的简易供氧器。（1）在供氧使用时，左瓶中可放置的药品是（填字母）。A．高锰酸钾 B．氯酸钾和二氧化锰C．锌粒和稀硫酸 D．过氧化氢溶液和二氧化锰（2）简易供氧器的右瓶中需加入适量的水，水的一种作用是。（3）写出实验室加热固体制取氧气的化学方程式。【变式1-2】学习小组开展了“设计和制作简易供氧器”的实践活动。[活动一]如图1所示，该制氧机通过A、B两种物质产生氧气，其中A是过碳酸钠白色固体，B是二氧化锰黑色粉末。查阅资料可知：过碳酸钠固体遇水会分解生成碳酸钠和过氧化氢。用该制氧机制氧时，在反应仓中加入适量水，再先后加入过碳酸钠和二氧化锰，反应仓内有黑色粉末翻腾，变得浑浊，仓壁变得温热，过滤仓底部导气管口有气泡冒出。（1）反应仓中过氧化氢生成氧气的文字表达式是。过滤仓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(填标号)。A．可以通过气泡观察氧气生成的速率

B．降低氧气温度

C．加快氧气的生成（2）图1反应仓中“通道”相当于图2装置中的(填“c”或“d”)导管。[活动二]制作简易的家用制氧机（3）家用制氧机除需考虑反应原理、方法选择外，还需考虑很多方面的因素，例如(写一条)。（4）同学们在充分思考交流的基础上，利用家庭中常见材料，设计并制作了简易家用制氧机(如图3)，其中C瓶的作用相当于图1中的仓。（5）根据已知信息推测，A试剂的保存方法是。命题点二不同制氧器的优缺点分析【典例2】特定人群、环境对氧气的需求不同。如何基于特定需求设计和制作简易供氧器呢？在老师的指导下，同学们开展了下列活动。【界定任务】（1）小英同学认为，首先了解制作简易供氧器的供氧原理再确定制取装置。同学们一致认为制作简易供氧器还需要考虑物质变化、能量变化、反应速率、制得氧气的纯度、制氧剂的用量和配比等。根据、确定发生装置，根据氧气的密度和溶解性等确定收集装置。【建构模型】老师提供了以下实验装置，同学们选择装置用过氧化氢分解和加热高锰酸钾的方法获得氧气。（2）仪器a的名称：；仪器b的名称：。（3）指出装置A中存在的一处错误：，改进图中存在的错误后，加热高锰酸钾制取氧气应选择的制取装置是(填字母序号)，用高锰酸钾制取氧气的符号表达式为。装置B中使用分液漏斗的优点是。【模仿改造】化学制氧机(原理图见图1)利用过碳酸钠白色固体、二氧化锰黑色粉末产生氧气。过碳酸钠()加水溶解会分解生成碳酸钠和过氧化氢。用该制氧机制氧时，在反应仓中加入适量水，再先后加入过碳酸钠和二氧化锰，反应仓内有黑色粉末翻腾，变得浑浊，仓壁变得温热，过滤仓底部导气管口有气泡冒出。（4）请写出过碳酸钠加水溶解分解生成碳酸钠和过氧化氢的文字表达式：。（5）制氧机内部气流通入加湿过滤仓，不仅可以过滤掉部分杂质，还有哪些优点？①；②。（6）验证加湿过滤仓导出的气体是氧气的方法：。【评价反思】展示环节，小英同学所在小组制作的简易供氧器(如图2)得到了大家的好评，并提出如下修改意见：在导管出口处加装一个带有调气阀的鼻氧管，以提高适用性。（7）选择制作简易供氧器的反应原理时，需要考虑的因素是___________。A．原料是否价廉易得 B．装置是否安全可靠C．实验条件是否易于控制 D．是否安全、环保【变式2-1】下图1为某款家用制氧机结构示意图，它是利用过碳酸钠（2Na2CO3·3H2O2）和二氧化锰同时加入水中制取氧气。过碳酸钠易溶于水，遇水分解为Na2CO3和H2O2。制氧过程的反应为：2（2Na2CO3·3H2O2）Na2CO3+6H2O+3O2↑，该反应为放热反应。（1）观察窗的作用是。（2）加湿仓的作用是。（3）制氧机制氧说明（部分）见下表，其中A、B剂的成分是过碳酸钠或二氧化锰。A剂B剂平均供氧量（毫升/分钟）供氧时间（分钟）配方一1袋1袋≥320≥15配方三2袋1袋≥500≥25配方三3袋2袋≥1000≥15①A剂的成分是。②若突发缺氧性疾病，在呼叫救护的同时进行吸氧，应选择的最佳配方是。（4）学习小组利用身边物品自制了如图2的简易供氧器。与真实产品对比中，形成的观点不正确的是________（填字母）。A．产氧和洗气装置组合不用一体化B．内部气体流向采用高进低出方式C．特定需求是选择制氧方法的重要依据D．制氧机要符合美学工程安全等标准命题点三简易制氧器的设计【典例3】动手实践：同学们利用家中常见的饮料瓶、吸管等设计并制作了简易制氧机，如图2所示。其中C瓶的作用是_。

【变式3-1】氧元素在自然界中分布广泛，占地壳质量的。48.6%，是丰度最高的元素。【O2的发现】（1）我国古代炼丹家发现加热火硝(主要成分为KNO3)能产生“阴气”(即O2)，比欧洲发现氧气的时间早了1000多年。①KNO3受热分解的另一产物为亚硝酸钾(KNO2)。，KNO2由氮元素的化合价为。②唐朝炼丹家马和在《平龙认》中指出：阴气(O2)存在于青石、火硝中，用火加热它们，阴气就会放出。运用学过的化学知识分析，该观点(填“正确”或“错误”)。【实验制O2】（2）“追梦”项目小组在实验室中制取氧气并探究其性质，请根据如图所示装置回答问题。①指出标号仪器M的名称。②实验室制取氧气的方法：a．过氧化氢溶液分解；b．加热氯酸钾与MnO2固体。若用b制取氧气应选用的发生装置是(填序号)，选择时考虑的因素是。③可用于实验室收集氧气的装置有(从“C、D、E"”中选择)。若用F装置收集氧气，则氧气应该从端通入(填“a或b”)。④空间站中水和氧气的最大化利用是生活保障的重要措施。如果在空间站失重状态下收集制得的O2，可选用右图装置中的(填序，下同号)。（3）过氧化氢也可用于实验室制取О2.其他条件相同时，按图2装置分别测定催化剂MnO2、CuO对过氧化氢分解的影响，测得锥形瓶内气体压强随时间变化如图3所示。①实验室用催化剂MnO2和5%过氧化氢溶液制取O2的化学方程式为。②用MnO2作催化剂进行实验至60s时，压强瞬间回落，其可能原因是。【家庭制O2】随着科技的进步，家用制氧机逐步走进千家万户。Ⅰ．认识制氧机（4）新型分子筛制氧机以空气为原料，将氧分子从空气中“筛”出去，从而获得高浓度的氧气，其原理如图4所示，该获得O2的过程属于(填“物理”或“化学”)变化。（5）化学药剂型家用制氧机如图5，可利用过碳酸钠(2Na2CO3·3H2O2，是一种白色固体，遇水分解为Na2CO3和H2O2，2Na2CO3·3H2O24Na2CO3+6H2O+3O2↑)等试剂与水反应获取O2。加湿仓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_______(填序号)。A．使氧气具有一定湿度 B．观察氧气产生速率 C．加快氧气的生成Ⅱ．自制简易供氧器（6）同学们利用饮料瓶、注射器、吸管、输液管等日常用品设计并制作了三套装置如图所示。右瓶中所装液体为水，向左侧瓶中加入制氧药品后，发现装置有缺陷的是。1．项目学习小组在学习了实验室制氧气之后，查阅了相关资料，利用塑料瓶、注射器、吸管等设计并制作简易供氧器(如图)，其中药品A是过碳酸钠和二氧化锰的混合物(过碳酸钠遇水会生成H2O2)。回答下面小题。（1）生活用品可以代替一些化学仪器。本实验利用了塑料瓶、注射器、吸管等进行实验，在该实验中相关说法错误的是A．塑料瓶相当于锥形瓶 B．吸管相当于导管C．注射器相当于长颈漏斗 D．该装置可控制反应速率（2）有关氧气性质的叙述错误的是A．氧气是一种无色无味的气体 B．硫在氧气中燃烧，生成有刺激性气味的气体C．红磷在空气中燃烧，产生大量白烟 D．水中的鱼虾能自由生活说明氧气易溶于水2．（1）学习小组利用身边物品设计一款简易制氧器，要求可制得纯净的潮湿氧气，请在下图中画出，并进行必要的标注。［器材：软塑料瓶2只(可打孔，含配套的单孔塞)、橡皮管若干、剪刀等］（2）与真实产品对比中，形成的观点不正确的是(填字母)。

A.产氧和洗气装置组合不用一体化B.内部气体流向采用高进低出方式C.特定需求是选择制氧方法的重要依据D.制氧机要符合美学、工程、安全等标准3．具备基本化学实验技能是学习化学的基础和保证。在化学实验操作中，小明抽取了制作简易供氧器试题。可供选择的实验药品有KMnO4、H2O2溶液、MnO2、过碳酸钠、蒸馏水等，部分相关实验装置如图所示。【资料】过碳酸钠遇水会分解产生Na2CO3和H2O2；Na2CO3易溶于水。【操作】在左瓶中依次加入适量水、过碳酸钠和二氧化锰。【现象】（1）左瓶中黑色粉末翻腾、液体浑浊，瓶壁温热，说明该反应(填“放热”或“吸热”)；右瓶水中导管口有气泡冒出。【评价】（2）右瓶中水的作用是。(写一个即可)4．基本的化学实验操作和实验设计是初中化学核心知识之一，结合以下实验装置图回答问题：（1）图1中仪器①的名称是。（2）实验室用图1中的A装置制取，反应的化学方程式是；若用装置C收集，检验已收集满的方法是。（3）氨气是一种无色、有刺激性气味、密度比空气小、极易溶于水的气体。实验室常用氢氧化钙固体和氯化铵固体混合加热制氨气，可以选择的发生装置是（填字母序号）。若用F装置收集氨气，气体应从（选填“a”或“b”）导管通入。（4）图2是学生制作的简易供氧器。其中左瓶中放置的药品是以提供氧气，右瓶中需加入适量的水，水的作用是（填字母序号）。A．加快氧气的生成

B．提高氧气浓度C．增加氧气的湿度

D．可通过气泡观察氧气生成速率5．小花同学在化学课上学习了氧气的有关知识后，对爷爷的家用制氧机产生了兴趣，她在家制得一袋氧气，带到学校实验室和化学兴趣小组的同学对制氧机的工作原理、所制得氧气的性质进行了以下项目式学习。活动一：分析制氧机工作原理【查阅资料】（1）制氧机说明书部分内容：名称：家用分子筛制氧机制得气体成分：氧浓度≥90%（V/V），水分含量≤-43℃（露点法），二氧化碳含量≤100×10-6（V/V），一氧化碳含量≤5×10-6（V/V），无气味，固体物质含量≤1mg/m3。（2）分子筛是一种人工合成的具有筛选分子作用的水合硅铝酸盐或天然沸石，有许多孔径均匀的孔道和排列整齐的孔穴，不同孔径的分子筛能把不同大小和形状的分子分开。【讨论交流】家用制氧机制得的气体属于（填“纯净物”或“混合物”），制氧机制取氧气的过程中发生了变化（填“物理”或“化学”）。活动二：验证氧气的性质从氧气袋中收集几瓶氧气，小组同学完成了以下实验。实验方案实验现象及化学方程式实验结论方案一：将带火星的木条伸入盛有氧气的集气瓶中实验现象：氧气具有氧化性，可燃物在氧气中燃烧更剧烈。方案二：将打磨好的细铁丝绕成螺旋状，下端绑一根火柴，将火柴点燃，接下来的操作是。实验现象：。化学方程式：。【总结反思】（1）实验结束后，小明发现他们小组完成方案二的实验后集气瓶底部炸裂了，请你分析可能的原因。（2）晓红同学将木炭伸入盛有氧气的集气瓶中，没有观察到明显的实验现象，她认为上述实验得出的结论不完全正确，请你对晓红同学的实验进行合理的评价。6．实验技能是学习化学的基础和保证。【实验Ⅰ】根据图1制取气体：（1）装置B中玻璃仪器的名称是。（2）若用KClO3和MnO2混合制取O2，则反应的化学方程式为；若要收集一瓶纯度较高的O2，将F装置注满水后，将气体从(填“a”或“b”)端通入。（3）若实验室制取CO2需要控制反应发生和停止，可选组合的发生装置。（4）收集一瓶O2并进行性质检验。操作现象结论

铁丝燃烧时，(填字母)，生成一种黑色固体a.产生大量白烟b.剧烈燃烧，火星四射c.发出耀眼的白光O2具有氧化性集气瓶中水的作用是。【实验Ⅱ】基于特定需求设计和制作简易供氧器：

（5）图2加湿仓中水的作用是润湿氧气，图中“O2通道”相当于图1中F装置的(填“a”或“b”)端导管。（6）10gNa2O2和10gCaO2固体与水作用生成氧气的质量与时间的关系如图3所示，若给鱼池增氧，应选的药品为(填化学式)。7．O2可用于供给呼吸（1）实验室用双氧水和二氧化锰来制备O2，该反应的化学方程式为，制取并收集一瓶纯净的O2可选择下列装置中的。若反应过程中发现反应速度较快，可采取的措施有（填一种即可）。用F装置收集O2，其验满的方法是。（2）分离空气可以获得液氧。简易流程如图：请根据流程图回答下列问题。①步骤A空气转变成液态空气发生改变的是（微观角度分析）。②由步骤B可以看出氧气的沸点比氮气的沸点（选填“高”或“低”）。③已知同温同压条件下，氮气和氧气的体积之比等于气体分子数目之比。液态空气中，液氧与液氮的体积比大约是。（3）化学氧自救器是人在缺氧环境或在高浓度有毒、有害气体环境中使用的一种安全防护装置。右下图是某化学氧自救器的示意图，其供氧装置由“初期生氧器”和“生氧罐”组成，学习小组对其工作原理进行了如下探究：该化学氧自救器在工作初期，内部独立的“初期生氧器”首先启动，以解决初期供氧不足的问题。“初期生氧器”内有氯酸钾、二氧化锰、铁粉等成分。“初期生氧器”主要依靠氯酸钾和二氧化锰制氧，其化学反应方程式为。请推测“初期生氧器”中铁粉的作用是。（4）该化学氧自救器主体是由“生氧罐”供氧，内部装有颗粒状超氧化钾作为“制氧剂”，其反应原理为：①4K