跨学科实践活动2 基于特定需求设计和制作简易供氧器（教学课件）化学鲁教版五四学制2024八年级全一册

该初中化学课件聚焦简易供氧器的制作原理与实践，从登山、医疗等缺氧场景导入，引导学生结合氧气性质，探究过氧化氢与过碳酸钠制氧原理，构建“需求分析-原理选择-装置设计-制作优化”的学习支架，衔接理论与实际应用。 其亮点在于以跨学科实践为核心，融合化学观念（物质转化）、科学探究与实践（设计制作、问题优化）和科学态度与责任（生命健康保障）。通过对比实验分析制氧原料优缺点培养科学思维，小组合作完成供氧器制作与测试，活动报告梳理跨学科知识与探究流程。助力学生深化知识应用与实践能力，为教师提供生动的项目式教学案例。

第四单元 我们周围的空气 跨学科实践活动2 基于特定需求 设计和制作简易供氧器 八年级化学 全一册·鲁教版五四学制2024 学习内容导览 制作简易供氧器 2 简易供氧器的制作原理 1 2 明·学习目标 1.设计制作符合特殊需求的简易供氧器，加深对氧气制备与性质的理解。 2.具备根据需求进行装置设计与制作的工程思维，能考虑材料选择、装置连接等工程问题，体验综合运用化学、数学等学科知识和工程技术的方法解决问题的基本思路。 3.在供氧器设计、制作、改进过程中，能提出问题、进行探究并创新优化方案，感受科学与技术对保障人类生命健康的重要意义。 3 引·新课导入 登山者高海拔缺氧会导致行动艰难，医院患者依赖供氧设备，氧气对我们的生命至关重要。 如果在特定情况下我们无法获取供氧器，我们能否设计简易供氧器满足需求？ 4 简易供氧器的制作原理 01 探·知识奥秘 一、简易供氧器的制作原理 需求分析与确定 思考与讨论： 1.哪些环境 / 人群需额外供氧？ 2.不同需求对制氧、供氧有哪些具体要求？ 登山 医疗 高原 供氧持续性 供氧便携性 氧气浓度 6 探·知识奥秘 一、简易供氧器的制作原理 需求分析与确定 制氧量持续且充足 设计时需考虑操作简便且供氧量持续充足，确保紧急情况下用户的供养需求有保障。 具有便携性与耐用性 供氧器应轻便易携带，同时材料需耐冲击，保证在各种环境下稳定工作。 供氧效率与安全性 确保供氧器能迅速提供有效氧气且浓度适宜，同时具备多重安全保护措施，防止使用风险。 7 探·知识奥秘 一、简易供氧器的制作原理 原理确定 ① 高锰酸钾 锰酸钾+二氧化锰+氧气 ② 氯酸钾 氯化钾+氧气 ③ 过氧化氢 水+氧气 加热 二氧化锰 加热 二氧化锰 哪种氧气制取原理更简便、持续、安全？ 原料简便、环保、易得，且安全、供氧量充足持续。 过氧化氢在光照、高温或杂质存在的情况下容易分解，需要避光、密封保存，且保存时间较长时可能会失效。高浓度的过氧化氢溶液具有一定的腐蚀性。 有没有其他 替代性的药品？ 8 探·知识奥秘 一、简易供氧器的制作原理 原理确定 资料卡片 固体 “氧气工厂”：过碳酸钠制氧的奥秘与安全指南 过碳酸钠（2Na2CO3·3H2O2）是一种安全的固体化合物，经常被用作简易制氧的原料，特别适合初中生在成人的指导下进行科学探索。​ 从制氧原理来看，过碳酸钠本身性质比较稳定，不会自行分解产生氧气，需要在催化剂的帮助下才会发生反应。常见的催化剂有二氧化锰粉末或者浓度为 5% 的硫酸铜溶液，在这些催化剂的作用下，过碳酸钠会分解生成氧气、碳酸钠和水，整个反应过程中不会产生有毒气体，安全性比较高。​ 和过氧化氢溶液制氧相比，过碳酸钠有着明显的优点。过氧化氢溶液是液体，携带时容易洒漏，而过碳酸钠是固体，不仅方便收纳，携带过程中也更省心，不用担心漏液问题；同时，过氧化氢溶液在储存时容易受光照、温度影响而变质，过碳酸钠的稳定性更好，日常保存起来更简单。​ 在使用过碳酸钠制氧时，有几点注意事项必须牢记。首先是用量控制，每次使用过碳酸钠的量不能超过 8 克，用量过多可能会让反应过于剧烈，带来安全隐患。其次是反应容器不能完全密闭，要留出一定的空间让气体顺利排出，否则反应产生的气体可能会让容器内压强急剧升高，导致容器炸裂。最后要特别提醒，用这种方法制成的氧气装置，只能用于科学实验探索，绝对不能用于医疗供氧，因为它无法满足医疗场景对氧气纯度和流量的严格要求。 9 探·知识奥秘 一、简易供氧器的制作原理 原理确定 过氧化氢 水+氧气 二氧化锰 过碳酸钠 碳酸钠+水+氧气 二氧化锰 对比两种反应的优缺点，选择出适合家庭使用的制氧器原料。 过氧化氢 过碳酸钠 优点 1. 反应效率高：过氧化氢分解产生氧气的纯度较高，理论纯度可达 95% 以上 1. 安全性高：过碳酸钠为固体粉末，储存和运输方便，不易发生泄漏，反应过程无剧烈放热或爆炸风险； 2. 反应速率快：加入催化剂后可快速供氧，应急场景（如突发缺氧）下能及时满足需求 2.速率易控：通过调节水的加入量、催化剂用量或止水夹开度，可灵活控制供氧速率 3. 装置简单：无需复杂的分离部件，组装难度低，适合家庭自制或简易便携设备 3.原料易获取：过碳酸钠在超市或化工用品店均可购买，成本低 4.产物环保：分解产物为碳酸钠、水和氧气，碳酸钠可溶于水，无有毒有害物质残留 缺点 1. 安全性较差：过氧化氢为液态，浓度较高（如 30%）时易分解、易腐蚀皮肤，储存不当可能发生泄漏或变质 1. 反应产物有残留：碳酸钠溶液可能附着在反应装置内壁，长期使用需定期清洗； 2. 原料成本较高：高纯度过氧化氢（医用级）价格高于过碳酸钠和过氧化钙，长期使用成本较高 2. 供氧持续时间有限：受限于过碳酸钠的用量，单次反应供氧时间较短 3. 速率控制要求高：若滴液漏斗调节不当，过氧化氢滴加速度过快，可能导致反应剧烈，产生大量泡沫，甚至溢出装置 3. 氧气纯度略低：若未加提纯装置，氧气可能混有少量空气中的杂质 10 探·知识奥秘 一、简易供氧器的制作原理 综合考虑，过碳酸钠更合适。接下来如何设计供氧器的模型？可以选择哪些装置或材料呢？ 选择哪种发生装置？ 如何用生活用品进行替代？ 过碳酸钠和二氧化锰、水为固体液体常温制取气体的化学反应。 过氧化氢 过碳酸钠 家庭使用适配度 ★★★☆☆ ★★★★☆ 理由 综合安全性、原料获取、速率控制，最适配家用场景，尤其适合老人、儿童使用或应急储备 反应效率高但安全性和原料储存存在短板，适合有一定操作经验的家庭，应急场景短期使用 11 探·知识奥秘 一、简易供氧器的制作原理 材料准备 塑料瓶 注射器 软管 呼吸面罩 实验中的反应容器 或气体收集 / 缓冲装置 实验中的反应物添加工具或简易气压调节辅助件 实验中的气体导流通道 实验中的氧气吸入装置 12 探·知识奥秘 一、简易供氧器的制作原理 模型设计 供氧器模型包括几个部分？ 制氧模块 储氧模块 调节模块 过滤模块 在供氧过程中要注意哪些问题？ 反应仓：选用透明塑料瓶，便于观察反应情况。将过碳酸钠与二氧化锰分开放置，通过控制两者接触的方式来控制反应速率 供氧速率控制：在反应容器顶端安装注射器，通过调节注射器注入水的速率和量，控制反应产生的氧气流出的速率。 产生氧气有杂质：需要加装一个过滤净化模块，使产生的氧气较纯净，避免产生危害。 控制产生氧气的量浓度：根据过碳酸钠分解的原理，计算理论上产生氧气的量，再结合实际加入的过碳酸钠质量，估算产生氧气的体积。 13 探·知识奥秘 一、简易供氧器的制作原理 模型设计 请同学们小组讨论，设计供氧器模型 反应仓 调节反应速率 过滤+储氧模块 呼吸面罩 可以将过碳酸钠与二氧化锰分开放置，通过控制两者接触的方式来控制反应速率。可在塑料瓶内设置多孔隔板，或加装一带孔小塑料瓶，通过加入适量水（水可促进过碳酸钠分解）使两者接触反应，产生氧气。 14 制作简易供氧器 02 探·知识奥秘 二、制作简易供氧器 小组分工合作制作模型 领取实验材料：不同规格塑料瓶、导管、注射器（去掉针头）、过过碳酸钠、二氧化锰、湿棉花、呼吸面罩、水。 明确分工：1人组装制氧模块（将塑料瓶与导管连接，小塑料瓶扎孔后内置于大塑料瓶内） 1人制作储氧模块（密封塑料瓶，链接呼吸面罩） 1人安装调节模块（注射器+ 湿棉花层），制作中相互配合检查密封性。 1人负责管理添加药品（水、过碳酸钠、二氧化锰） 实验步骤： 将小塑料瓶底部钻若干小孔放入二氧化锰，用铁丝做上下活动的部分，内置于大塑料瓶内，大塑料瓶安装带注射器的导管，放入过碳酸钠，注射器内加入适量水后，观察反应产生氧气的情况，调节注射器加入水的速率，控制氧气流出速率，完成后开启供氧器，用带火星木条检验氧气（木条复燃证明制氧成功），记录制氧速率、氧气流量、湿度情况。 各小组依据供氧器设计方案，进行制作 16 探·知识奥秘 二、制作简易供氧器 记录实验现象 学习小组利用组装的供氧器，设计实验方案，记录实验现象，探究药品的用量和温度对制氧速率的影响，结果如下表： 实验序号 过碳酸钠的质量 二氧化锰的质量 水的体积 温度 收集100ml氧气所用的时间 ① 10g 0.3g 100ml 26℃ 36.59s ② 20g 0.3g 100ml 26℃ 11.67s ③ 10g 0.3g 100ml 41℃ 22s ④ 10g 0.6g 100ml 41℃ 11s 过氧化钠的质量、二氧化锰的质量及温度对产生氧气的速率有何影响？ 适宜做供氧器的药品用量是哪组？ 17 探·知识奥秘 二、制作简易供氧器 分析实验数据 过氧化钠的质量、二氧化锰的质量及温度对产生氧气的速率的影响 01 对比实验①和②，其他条件（二氧化锰质量、水的体积、温度）相同，过碳酸钠质量从10g增加到20g时，收集100mL氧气的时间从36.59s缩短到11.67s。这表明在其他条件不变时，过碳酸钠质量越大，反应速率越快，产生氧气的速率也就越快。 过碳酸钠质量 02 03 温度 二氧化锰 对比实验①和③，其他条件（过碳酸钠质量、二氧化锰质量、水的体积）相同，温度从26℃升高到41℃时，收集100mL氧气的时间从36.59s缩短到22s。说明在其他条件不变时，温度越高，反应速率越快，产生氧气的速率越快。 对比实验③和④，其他条件（过碳酸钠质量、水的体积、温度）相同，二氧化锰质量从0.3g增加到0.6g时，反应速率会加快（因为二氧化锰是催化剂，质量增加，能提供更多的催化活性位点，加快反应），产生氧气的速率也会更快。 18 探·知识奥秘 二、制作简易供氧器 分析实验数据 适宜做供氧器的药品用量 从实验数据看，实验②过碳酸钠质量大，反应速率快，但过碳酸钠用量大可能会增加成本且反应过于剧烈可能不利于控制；实验④二氧化锰质量增加，反应速率快，但二氧化锰作为催化剂，适量即可，过多也会造成浪费。综合考虑反应速率和药品成本、反应可控性等因素，实验③的药品用量（过碳酸钠10g、二氧化锰0.3g、水100mL、温度41℃）相对更适宜，反应速率适中，药品用量也较为合理，能在一定时间内稳定产生氧气，更适合作为供氧器的药品用量参考。不过实际应用中，还需结合更多实际需求（如供氧持续时间、便携性等）进一步优化。 19 探·知识奥秘 二、制作简易净水器 讨论与反思 有的小组反应速率不稳定，有时过快，导致供氧速率波动大，氧气浓度难以稳定控制。如何解决？ 在反应仓内加一个多孔隔板，上覆盖一层孔径合适的滤网，将过碳酸钠颗粒固定，使二氧化锰与过碳酸钠的接触更均匀，同时进一步细化对注射器的调节，通过多次试验，找到能稳定控制反应速率的止水夹开度范围，并记录下来，在后续使用中保持在该范围内调节。另外，采用分批加入过碳酸钠的方式，避免一次性加入过多导致反应过于剧烈 20 探·知识奥秘 二、制作简易净水器 讨论与反思 塑料瓶在反应一段时间后，因温度变化（反应放热）出现轻微变形，如何解决？ 更换为更耐高温的聚丙烯塑料瓶，其耐热性能更好，能减少因温度变化导致的变形，保证反应仓的稳定性。 21 探·知识奥秘 二、制作简易供氧器 反思与交流 为简易供氧机写一个产品说明 产品名称：简易便携式供氧器 适用场景：登山、高原地区旅行（空气稀薄环境），心肺功能损伤等需额外补充氧气的场景。 产品组成及各部分作用 制氧部分：采用化学制氧方式（过碳酸钠+二氧化锰），为装置提供氧气来源。 存储部分：用于暂时存储制氧部分产生的氧气，保证氧气供应的持续性。 供应调节部分：可调节氧气的浓度、流速，还能对氧气湿度进行一定控制，以满足不同的供氧需求。 使用方法： 检查各部分连接是否牢固，确保装置无泄漏。 根据实际需求，通过供应调节部分设置合适的氧气浓度、流速等参数。 开启制氧功能，待存储部分有足够氧气后，即可进行供氧。 22 探·知识奥秘 二、制作简易供氧器 市面上常见供氧器及相关情况 供氧原理：利用分子筛吸附技术，在常温下通过变压吸附法（PSA 法）将空气中的氮气和氧气分离，从而制取高浓度氧气。 适用人群：主要适用于家庭氧疗的慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者、肺心病患者、慢性呼吸衰竭患者等需要长期吸氧的人群，也可用于医院病房等医疗场所。 01 供氧原理：瓶内储存着高压状态下的液态或气态氧气，使用时通过减压阀将氧气压力降低，使氧气以合适的流速释放出来供人呼吸。 适用人群：适用于登山、潜水、高原旅行等户外活动中需要临时补充氧气的人群，也可作为急救时的氧气供应设备。 02 供氧原理：通过特定的化学反应（如过碳酸钠与催化剂反应）产生氧气，不同的化学制氧机采用的反应试剂和反应方式略有不同，但都是利用化学反应来生成氧气。 适用人群：适用于家庭急救、小型户外活动等场景下，对氧气需求不太持续且需要便携供氧的情况，如家庭中老人突发呼吸问题时的应急供氧等。 03 医用制氧机 便携式氧气瓶 化学制氧机 23 理·核心要点 项目 内容 活动主题 基于特定需求设计和制作简易供氧器 活动目标 1. 设计制作符合特殊需求的简易供氧器，加深对氧气制备与性质的理解； 2. 体验综合运用化学、数学等学科知识和工程技术方法解决问题的基本思路； 3. 感受科学与技术对保障人类生命健康的重要意义 活动流程 1. 需求分析：明确特定环境（如登山、高原地区）和特殊人群（如心肺功能损伤病人）的额外氧气需求，确定制氧、供氧等方面的具体要求和标准； 2. 设计：利用氧气制备知识，系统考虑氧气产生、存储和供应等环节，设计供氧器装置模型图，明确各部分构成、作用及材料选择等； 3. 制作：准备相关材料，小组合作或独立完成供氧器各部分装置的制作和组装； 4. 测试：开启供氧器，观察、记录工作情况，评价供氧效果； 5. 优化：根据测试中发现的问题，进一步优化改进简易供氧器 基于特定需求设计和制作简易供氧器活动报告 24 理·核心要点 项目 内容 跨学科知识运用 1. 化学：运用化学知识进行制氧，通过化学反应产生氧气，作为供氧核心基础； 2. 数学：计算氧气流量，结合需求和设计参数，确定氧气供应流速等，保证供氧准确性； 3. 美学：设计供氧器外观，兼顾美观性与便携性，提升产品品质 科学探究核心体现 1. 发现问题：在需求分析中，发现特定环境和人群的氧气需求及现有供氧可能存在的不足； 2. 解决问题：通过设计、制作供氧器，尝试解决特定氧气供应问题； 3. 优化改进：依据测试问题，调整装置、更换材料等，提升供氧器性能 活动收获与感悟 1. 更深入理解氧气制备相关知识，掌握跨学科解决实际问题的方法； 2. 体会科学技术在保障生命健康方面的关键作用，增强运用知识解决实际问题的能力 基于特定需求设计和制作简易供氧器活动报告 25 1．某同学在学习制取氧气的实验原理后，利用周围的物品制作了一个简易供氧器，如图所示，A、B为两种固体，A为过碳酸钠，遇水后可发生反应生成H2O2，下列关于该实验的说法不正确的是（ ） A．该装置无法控制生成氧气的速率 B．可通过乙装置观察是否有氧气生成 C．固体B是催化剂，但不一定是二氧化锰 D．若检查甲装置气密性，先向乙装置装一部分水，再推或拉注射器观察现象 析·典型范例 A 2．小科的爸爸给患病的奶奶购买了一台“便携式制氧器”，其原理如图所示。小科通过阅读说明书，了解它的工作原理。下列说法不正确的是（ ） A．要防止输出氧气的管道堵塞，避免引发安全事故 B．根据加湿过滤仓中气泡产生速度，判断氧气排出的快慢 C．加湿过滤仓利用氧气难溶于水的原理，使氧气湿润 D．夏天鱼缸中溶解氧下降，可用该仪器给鱼缸中的鱼供氧 析·典型范例 C THANKS! 谢谢观看 八年级化学 全一册·鲁教版五四学制2024 $