跨学科实践活动4 基于特定需求设计和制作简易供氧器-2025-2026学年九年级化学上册教学导学案（人教版2024）

跨学科实践活动4 基于特定需求设计和制作简易供氧器 【活动目标】（阅读课本P126） 进一步巩固氧气性质和实验室制取氧气的原理与装置的认识，了解实现物质定量转化的方法，综合应用多学科知识和工程技术手段解决实际问题。 【活动内容】 ▶项目导引：初识制氧器 氧气是生命活动的必需气体，也是工业生产不可缺少的重要原料。制氧器在生产生活中的应用非常广泛，如保健、急救、大型化工生产等都需要制氧。 市售制氧器有两种：一种为便携式制氧器，采用加压液化氧气或吸附剂吸附氧气储存，使用时匀速、稳定释放氧气；另一种为化学制氧器，使用时通过试剂发生化学反应产生氧气。 小明拿家用的“氧立得”化学制氧器与同学们进行了研究。 【分析讨论】 （1）再举一例，需用到氧气的一种场景： 。 （2）从微观角度解释便携式制氧器加压液化储存氧气时的工作原理： 。 ▶项目活动一：探究氧器的反应原理 【交流研讨】请写出实验室制取氧气的原理：（用化学方程式表示） 　 。 。 ▶项目活动二：探究化学制氧器的反应原理 【查阅资料】过碳酸钠为白色颗粒，溶于水会分解生成碳酸钠和过氧化氢，是很好的固体氧释放剂。 【进行实验1】验证A剂的成分 实验步骤 实验现象 实验结论 ①取少量A剂于试管中，加适量水充分溶解，向试管中加入少量MnO2，将带火星的木条伸入试管中 溶液中含有过氧化氢 ②取步骤①中上层清液，向溶液中加入 BaCl2溶液⁠ 产生白色沉淀 溶液中含有碳酸钠 【表达交流】综合上述实验结果，初步认为A剂的主要成分是过碳酸钠。 【进行实验2】探究B剂的作用 先将一包A剂放入一个洁净的烧杯中，加水至完全溶解，观察到无气泡产生；向溶液中放入一包B剂，立即有大量气泡产生。待反应结束后，将烧杯中剩余固体过滤、洗涤、干燥，称得固体质量为3 g。小明认为B剂起催化作用。 【反思评价】 （1） 同学们对小明的结论提出质疑，理由是 。 （2）通过对制氧剂成分及性质的探究，保存该制氧剂时应注意： 。 （2） （3）家庭制氧不选用高锰酸钾制氧的原因是： 。 ▶项目活动三：认识化学制氧器的结构 【交流探讨】（1）根据图示分析，制氧器的反应仓与实验室用 制取氧气的发生装置类似。 （2） 加入试剂时要考虑哪些因素（写一个）？ 。 （3） 反应仓产生的氧气会经过加湿过滤仓，加湿过滤仓除加湿功能之外，还可以起到什么作用？ 。 ▶项目活动四：设计并制作制氧器 【制作材料】A剂（过碳酸钠）、B剂（二氧化锰）、软塑料瓶、软管等。 【成果展示】请设计一款简易制氧器，并标出关键结构的信息。 设计图如下： 【交流分享】制作简易的家用制氧机时，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： 。 ▶项目活动五：课外拓展“潜水艇中的制氧” 潜水艇在水下航行时，需要为艇内人员提供氧气以维持呼吸，因此配备了多种制氧系统，以下是几种常见的制氧原理： 1. 电解水制氧 原理：电解水制氧是利用电解槽将水（通常是经过处理的纯水）分解为氧气和氢气。其化学反应方程式为： 。 优点：这种方法产生的氧气纯度较高，能够满足潜水艇内人员呼吸对氧气质量的要求。而且只要电解槽的性能稳定，制氧过程相对可靠。 缺点：① ，对潜水艇的电力供应系统要求较高。 ②电解过程中产生的氢气是一种 气体，需要妥善处理，以防止发生安全事故。 2. 化学制氧 原理：化学制氧是通过化学反应来释放氧气。例如，使用过氧化钠（Na2O2）或超氧化钾（KO2）等化学物质。 过氧化钠与二氧化碳反应生成碳酸钠和氧气，其反应的化学方程式为： 。 超氧化钾与二氧化碳反应生成碳酸钾和氧气，其反应的化学方程式为： 。 优点：①在这个反应中，不仅产生了氧气，还消耗了人员呼吸过程中呼出的二氧化碳，起到了一箭双雕的作用。 ②不需要复杂的设备和大量的电能，化学制氧剂相对容易储存和运输。在一些小型潜水艇或应急情况下，这种方法比较实用。 缺点：化学制氧剂的使用有一定的局限性，其制氧量是有限的，取决于制氧剂的用量。而且化学反应过程中可能会产生一些副产物，需要对反应产物进行处理，以确保空气的质量。 3. 空气分离制氧 原理：空气分离制氧是利用空气中氧气和氮气等气体的物理性质差异，通过吸附、扩散等方法将氧气从空气中分离出来。例如，采用分子筛吸附法，利用分子筛对氮气的吸附能力比氧气强的特点，在加压条件下，氮气被分子筛吸附，氧气则通过分子筛被收集起来；然后在减压条件下，分子筛释放出吸附的氮气，完成一个循环，从而实现氧气的分离和制取。这种制取氧气的方法属于 变化。 优点：这种方法可以利用空气作为原料，不需要消耗大量的化学试剂，制氧过程相对环保。而且可以根据需要调节氧气的产量，适应性较强。 缺点：空气分离制氧设备相对复杂，需要一定的空间来安装和运行。同时，制氧效率受到分子筛性能等多种因素的影响，需要定期维护和更换吸附剂等部件。 潜水艇通常会根据自身的设计、任务需求以及技术水平等因素，选择一种或多种制氧方式相结合，以确保在水下长时间航行时能够为艇内人员提供稳定、可靠的氧气供应。 — 18 — — 17 — 学科网（北京）股份有限公司 $$ 跨学科实践活动4 基于特定需求设计和制作简易供氧器 【活动目标】（阅读课本P126） 进一步巩固氧气性质和实验室制取氧气的原理与装置的认识，了解实现物质定量转化的方法，综合应用多学科知识和工程技术手段解决实际问题。 【活动内容】 ▶项目导引：初识制氧器 氧气是生命活动的必需气体，也是工业生产不可缺少的重要原料。制氧器在生产生活中的应用非常广泛，如保健、急救、大型化工生产等都需要制氧。 市售制氧器有两种：一种为便携式制氧器，采用加压液化氧气或吸附剂吸附氧气储存，使用时匀速、稳定释放氧气；另一种为化学制氧器，使用时通过试剂发生化学反应产生氧气。 小明拿家用的“氧立得”化学制氧器与同学们进行了研究。 【分析讨论】 （1）再举一例，需用到氧气的一种场景： 潜水 / 航天等 。 （2）从微观角度解释便携式制氧器加压液化储存氧气时的工作原理： 氧分子间隔变小 。 ▶项目活动一：探究氧器的反应原理 【交流研讨】请写出实验室制取氧气的原理：（用化学方程式表示） 　 2KMnO4  = (△) K2MnO4 ＋ MnO2 ＋ O2↑ 2H2O2= (MnO2) 2H2O ＋ O2↑ ▶项目活动二：探究化学制氧器的反应原理 【查阅资料】过碳酸钠为白色颗粒，溶于水会分解生成碳酸钠和过氧化氢，是很好的固体氧释放剂。 【进行实验1】验证A剂的成分 实验步骤 实验现象 实验结论 ①取少量A剂于试管中，加适量水充分溶解，向试管中加入少量MnO2，将带火星的木条伸入试管中 带火星的木条复燃 溶液中含有过氧化氢 ②取步骤①中上层清液，向溶液中加入 BaCl2溶液⁠ 产生白色沉淀 溶液中含有碳酸钠 【表达交流】综合上述实验结果，初步认为A剂的主要成分是过碳酸钠。 【进行实验2】探究B剂的作用 先将一包A剂放入一个洁净的烧杯中，加水至完全溶解，观察到无气泡产生；向溶液中放入一包B剂，立即有大量气泡产生。待反应结束后，将烧杯中剩余固体过滤、洗涤、干燥，称得固体质量为3 g。小明认为B剂起催化作用。 【反思评价】 （1）同学们对小明的结论提出质疑，理由是 没有验证B剂的化学性质在反应前后是否发生改变 。 （2）通过对制氧剂成分及性质的探究，保存该制氧剂时应注意： 放在干燥阴凉处 。 （3）家庭制氧不选用高锰酸钾制氧的原因是： 高锰酸钾制氧需要加热，操作麻烦 / 不安全 / 携带不方便 ▶项目活动三：认识化学制氧器的结构 【交流探讨】（1）根据图示分析，制氧器的反应仓与实验室用 过氧化氢溶液和二氧化锰 制取氧气的发生装置类似。 （2） 加入试剂时要考虑哪些因素（写一个）？ 需要考虑两种试剂的定量配比问题 / 保证产生氧气的速率适中。 （3） 反应仓产生的氧气会经过加湿过滤仓，加湿过滤仓除加湿功能之外，还可以起到什么作用？ 可以通过观察产生气泡的速率判断氧气产生的速度 。 ▶项目活动四：设计并制作制氧器 【制作材料】A剂（过碳酸钠）、B剂（二氧化锰）、软塑料瓶、软管等。 【成果展示】请设计一款简易制氧器，并标出关键结构的信息。 设计图如下： 【交流分享】制作简易的家用制氧机时，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： 装置气密性 / 装置的便携性等 。 ▶项目活动五：课外拓展“潜水艇中的制氧” 潜水艇在水下航行时，需要为艇内人员提供氧气以维持呼吸，因此配备了多种制氧系统，以下是几种常见的制氧原理： 1. 电解水制氧 原理：电解水制氧是利用电解槽将水（通常是经过处理的纯水）分解为氧气和氢气。其化学反应方程式为： 2H2O= (通电) 2H2↑ + O2↑ 。 优点：这种方法产生的氧气纯度较高，能够满足潜水艇内人员呼吸对氧气质量的要求。而且只要电解槽的性能稳定，制氧过程相对可靠。 缺点：① 需要消耗大量的电能来驱动电解反应 ，对潜水艇的电力供应系统要求较高。 ②电解过程中产生的氢气是一种 易燃易爆 气体，需要妥善处理，以防止发生安全事故2. 化学制氧 原理：化学制氧是通过化学反应来释放氧气。例如，使用过氧化钠（Na2O2）或超氧化钾（KO2）等化学物质。 过氧化钠与二氧化碳反应生成碳酸钠和氧气，其反应的化学方程式为：6CO2+6Na2O2=6Na2CO3+3O2。 超氧化钾与二氧化碳反应生成碳酸钾和氧气，其反应的化学方程式为： 4KO2+ 2CO2 = 2K2CO3+ 3O2 优点：①在这个反应中，不仅产生了氧气，还消耗了人员呼吸过程中呼出的二氧化碳，起到了一箭双雕的作用。 ②不需要复杂的设备和大量的电能，化学制氧剂相对容易储存和运输。在一些小型潜水艇或应急情况下，这种方法比较实用。 缺点：化学制氧剂的使用有一定的局限性，其制氧量是有限的，取决于制氧剂的用量。而且化学反应过程中可能会产生一些副产物，需要对反应产物进行处理，以确保空气的质量。 3. 空气分离制氧 原理：空气分离制氧是利用空气中氧气和氮气等气体的物理性质差异，通过吸附、扩散等方法将氧气从空气中分离出来。例如，采用分子筛吸附法，利用分子筛对氮气的吸附能力比氧气强的特点，在加压条件下，氮气被分子筛吸附，氧气则通过分子筛被收集起来；然后在减压条件下，分子筛释放出吸附的氮气，完成一个循环，从而实现氧气的分离和制取。这种制取氧气的方法属于 物理 变化。 优点：这种方法可以利用空气作为原料，不需要消耗大量的化学试剂，制氧过程相对环保。而且可以根据需要调节氧气的产量，适应性较强。 缺点：空气分离制氧设备相对复杂，需要一定的空间来安装和运行。同时，制氧效率受到分子筛性能等多种因素的影响，需要定期维护和更换吸附剂等部件。 潜水艇通常会根据自身的设计、任务需求以及技术水平等因素，选择一种或多种制氧方式相结合，以确保在水下长时间航行时能够为艇内人员提供稳定、可靠的氧气供应。 — 18 — — 17 — 学科网（北京）股份有限公司 $$