跨学科实践活动3 基于绿色化学探究实验室制氧气的原理（教学课件）化学鲁教版2024九年级上册

该初中化学课件聚焦绿色化学原则及实验室制氧反应评估，通过对比传统化工污染与绿色化学优化场景导入，联系已学的三种制氧方法，引导学生从绿色化学视角探究其环境友好性，搭建旧知到新知的学习支架。 其亮点在于融合化学观念、科学思维与科学态度，通过计算原子利用率、从原料过程产物多维度评估反应，培养证据推理与系统分析能力。采用探究式教学，学生深化对绿色化学的理解，树立环保责任，教师可提升教学的实践性与针对性。

第五单元 定量研究化学反应 跨学科实践活动3 基于绿色化学 探究实验室制氧气的原理 九年级化学 上册·鲁教版2024 学习内容导览 基于绿色化学评估化学反应 2 了解绿色化学原则 1 2 明·学习目标 1.准确书写实验室制取氧气的三种方法（分解过氧化氢、加热高锰酸钾、加热氯酸钾）的化学方程式。 2.理解绿色化学的核心思想（从源头减少或消除污染），掌握“原子经济性” “预防废弃物产生”等关键绿色化学原则。以绿色化学原则（如原子利用率、原料可再生性等）为证据，推理判断不同制氧方法的环境友好性 3.学会运用原子利用率公式计算化学反应的原子利用率，并能从原料、过程、产物三个维度评估化学反应的环境友好程度。 3 引·新课导入 左侧的反应容器旁，废弃的试剂瓶堆积如山，未反应的原料顺着管道随意排放，这些在传统化工生产中常见的场景，不仅造成了资源浪费，更可能成为污染环境的 “元凶”。而右侧的装置里，通过优化反应路径，我们能清晰看到副产物几乎为零，原料中的原子最大程度转化为目标产物，这就是绿色化学理念在实际生产中的体现。 那么，这样的反应优化背后，涉及哪些化学原理？它又能为环境保护带来怎样的改变？ 引·新课导入 实验室制取氧气有这三种常用方法，大家已学过它们的操作和原理。今天我们换个角度——从绿色化学的视角，探究哪种方法更环保、更符合可持续发展理念。 绿色化学是什么？你对绿色化学有哪些了解？ 过氧化氢制氧气 高锰酸钾制氧气 氯酸钾制氧气 5 了解绿色化学原则 01 探·知识奥秘 一、了解绿色化学原则 绿色化学原则 思考与讨论： 1.什么是绿色化学？是谁提出的这一理念？ 2.绿色化学与“先污染后治理”的本质区别是什么？ 绿色化学又称“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”，绿色化学是近十年才产生和发展起来的，是一个 “新化学婴儿”。它涉及有机合成、催化、生物化学、分析化学等学科,内容广泛。绿色化学的最大特点是在始端就采用预防污染的科学手段，因而过程和终端均为零排放或零污染。世界上很多国家已把“化学的绿色化”作为新世纪化学进展的主要方向之一。 绿色化学最初发端于美国。1984年美国环保局(EPA)提出“废物最小化”，基本思想是通过减少产生废物和回收利用废物以达到废物最少，初步体现绿色化学的思想。但废物最小化不能涵盖绿色化学整体概念，它只是一个化学工业术语，没有注重绿色化学生产过程。 7 探·知识奥秘 一、了解绿色化学原则 绿色化学原则 绿色化学是指减少或者淘汰有毒物质使用或产生的化学产品和工艺的设计 绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学，核心是从源头减少或消除污染，区别于先污染后治理 1998年，保罗·阿纳斯塔斯（Paul Anastas）和约翰·华纳（Paul Anastas）在他们编著的《绿色化学：理论与实践（Green Chemistry: Theory and Practice）》一书中，首次提出并公布了绿色化学的12项原则。 8 探·知识奥秘 一、了解绿色化学原则 绿色化学原则 国际上认可的绿色化学原则有12条,可以用于评估一个化学反应对环境的友好程度。 缩写 绿色化学原则 缩写 绿色化学原则 P 预防废弃物产生 T 温和的反应条件(温度、压强) R 使用可再生原料 I 反应过程实时监测 O 减少或避免衍生步骤 V 极少的副产物 D 使用可降解的化学产品 E 原子经济性 U 使用安全的合成方法 L 低毒性的化学产品 C 使用催化剂 Y 减少意外情况的可能性 9 探·知识奥秘 一、了解绿色化学原则 原子经济性 其中，“原子经济性”考虑的是在化学反应中究竟有多少原料的原子进入了产品之中。当反应物中的原子全部转化成我们需要的产物，这时的原子利用率为100%。 3O2⬆ 2KClO3 2KCl+ 二氧化锰 加热 +O2⬆ 2KMnO4 K2MnO4 +MnO2 加热 2H2O2 2H2O + O2⬆ 二氧化锰 预期产物 全部生成物 10 探·知识奥秘 一、了解绿色化学原则 原子经济性 原子利用率=×100% 原子尽可能多进入目标产物 你能计算出以上三种制取氧气的化学反应原理中，它们的原子利用率分别为多少么？ 预防废弃物产生（P） 使用可再生原料（R） 11 探·知识奥秘 一、了解绿色化学原则 原子经济性 以分解过氧化氢为例 设H2O2质量为68g， 则生成H2O 36g、 O232g 原子利用率 =×100%≈47.1% 2H2O2 2H2O + O2⬆ 二氧化锰 68 36 32 68g x y = x=36g = y=32g 小组合作，计算“加热高锰酸钾” “加热氯酸钾”的原子利用率。 12 探·知识奥秘 一、了解绿色化学原则 原子经济性 以加热高锰酸钾为例 设KMnO4质量为316g， 则生成K2MnO4 197g、MnO287g、 O232g 原子利用率 =×100%≈10.1% 316 197 87 32 316g x y z = x=197g = y=87g 以加热氯酸钾为例 设KClO3质量为245g， 则生成KCl149g、 O296g 原子利用率 =×100%≈39.2% 245 149 96 245g x y = x=149g = y=96g +O2⬆ 2KMnO4 K2MnO4 +MnO2 加热 = z=32g 3O2⬆ 2KClO3 2KCl+ 二氧化锰 加热 13 探·知识奥秘 一、了解绿色化学原则 原子经济性 制氧方法 化学方程式 原子利用率 分解过氧化氢 47.1% 加热高锰酸钾 10.1% 加热氯酸钾 39.2% 2H2O2 2H2O + O2⬆ 二氧化锰 +O2⬆ 2KMnO4 K2MnO4 +MnO2 加热 3O2⬆ 2KClO3 2KCl+ 二氧化锰 加热 比较得出：分解过氧化氢的原子利用率最高。 14 基于绿色化学 评估化学反应 02 探·知识奥秘 二、基于绿色化学评估化学反应 三种反应的系统评估 依据绿色化学原则，要评估一个化学反应的环境友好程度，除了考虑原子经济性之外，还需从原料、过程、产物等方面进行系统分析。 原料 过氧化氢的原料是否可再生？高锰酸钾、氯酸钾的原料来源如何？ 过氧化氢的原料具有一定可再生性：其生产常采用蒽醌法，蒽醌可循环利用，且制备过程中所需的氢气等原料，可通过水电解（利用太阳能、风能等可再生能源驱动）等方式获得，原料来源更具可持续性。 高锰酸钾的原料为不可再生矿物资源：它通常以软锰矿和氢氧化钾为原料制备，而氢氧化钾的原料（如钾石盐）也属于不可再生的矿物资源。 氯酸钾的原料依赖不可再生矿物：一般以氯化钾，来自钾盐矿，不可再生和氯气为原料制备；氯气虽可通过电解食盐水获得，但工业大规模生产依赖的食盐（矿物盐资源）仍属于不可再生资源。 16 探·知识奥秘 二、基于绿色化学评估化学反应 三种反应的系统评估 过程 分解过氧化氢需要加热吗？加热高锰酸钾、氯酸钾的能耗与安全隐患如何？ 1.过氧化氢的分解反应不需要加热。常温下，过氧化氢分解速率极慢（几乎观察不到气泡），但加入催化剂（如二氧化锰或过氧化氢酶）后，可在常温下快速分解产生氧气（。若加热（如 90℃水浴），过氧化氢分解速率会加快，但实验室制氧通常不依赖加热，而是通过催化剂降低活化能，避免额外能耗。 2. 加热高锰酸钾的能耗与安全隐患（1）能耗高锰酸钾分解是吸热反应，需持续加热至约 200℃才能平稳分解（酒精灯火焰温度约 500~600℃可满足），能耗中等。（2）安全隐患固体飞溅：高锰酸钾晶体加热时易崩裂成小颗粒，随氧气流飞溅，可能堵塞导管或污染水槽（使水呈紫红色）。需在试管口塞疏松的棉花阻挡，但棉花不能离药品太近（防止未冷却颗粒引燃棉花）。爆炸风险：若误将红磷等可燃物混入高锰酸钾中加热，可能引发爆炸（红磷与高锰酸钾均为强氧化剂，混合后受热易剧烈反应）。 3. 加热氯酸钾的能耗与安全隐患（1）能耗氯酸钾在二氧化锰催化下，仅需加热至约 240℃就会剧烈分解，且反应自身放热（无需持续外部供热），看似能耗低，但需严格控温以避免反应失控。（2）安全隐患爆炸危险性极高：氯酸钾是强氧化性易制爆化学品，与还原剂（如碳、硫、磷、有机物）混合时，轻微摩擦、撞击或加热就可能爆炸（如 “粉笔炸弹” 实验）。即使纯氯酸钾，加热到 400℃以上也可能自行爆炸。热烟雾与腐蚀：分解时会产生刺激性白烟（含氯化钾、氯酸钾蒸汽），污染环境且可能腐蚀橡胶导管；若试管口塞棉花，高温氧气易引燃棉花，引发爆燃。催化剂杂质风险：工业品二氧化锰若含碳粉等杂质，与氯酸钾混合加热可能爆炸，因此催化剂需预先高温灼烧除杂。 17 探·知识奥秘 二、基于绿色化学评估化学反应 三种反应的系统评估 反应类型 是否需要加热 能耗特点 主要安全隐患 分解过氧化氢（催化） 否 无额外能耗 无 催化剂温和 产物为水和氧气 加热高锰酸钾 是 中等能耗（吸热） 固体飞溅 混入可燃物爆炸 加热氯酸钾（催化） 是 低能耗（自放热） 强氧化性爆炸 热烟雾污染 18 探·知识奥秘 二、基于绿色化学评估化学反应 三种反应的系统评估 产物 分解过氧化氢的产物是否有害？加热高锰酸钾的固体产物是否为废弃物？ 1.分解过氧化氢的产物为水和氧气。水是生命活动不可或缺的物质，氧气是空气的重要组成成分，二者均无毒性、对环境友好，不会对生态系统或人体健康造成危害。 2. 加热高锰酸钾的固体产物为锰酸钾和二氧化锰。从 “绿色化学 — 预防废弃物产生” 的原则看：若这些固体产物未被回收或再利用，直接作为实验残余物丢弃，则属于废弃物。因为它们会成为 “无用的副产物”，且锰的化合物若进入环境（如水体、土壤），可能造成锰污染（影响生态系统平衡）。但若进行资源回收（如MnO2可作为催化剂重复用于过氧化氢分解，K2MnO4可通过化学方法转化为其他锰制品），则能减少废弃物产生。在实验室常规操作中，若缺乏回收流程，这些固体产物通常会被视为需要妥善处理的废弃物（需防止其污染环境）。 19 探·知识奥秘 二、基于绿色化学评估化学反应 三种反应的系统评估 根据以上资料，围绕原料（如使用可再生原料R、使用可降解产品D等原则）、过程（如预防废弃物产生P、减少衍生步骤O、温和反应条件T等原则）、产物（如极少副产物V、低毒性L等原则），选择合适的绿色化学原则评估三种反应，填写表格。 绿色化学 原则 分解过氧化氢 加热高锰酸钾 加热氯酸钾 原料 符合 “使用可再生原料（R）”，原料可通过可再生资源（如利用可再生能源驱动的水电解产物等）制备，环境友好 不符合 “使用可再生原料（R）”，原料（软锰矿、钾盐等）为不可再生矿物资源 不符合 “使用可再生原料（R）”，原料（钾盐矿、食盐等）为不可再生矿物资源 过程 符合 “温和的反应条件（T）”“减少或避免衍生步骤（O）”，常温下加催化剂即可反应，无需加热（节能），步骤简单 不符合 “温和的反应条件（T）”，需要加热（耗能），步骤较简单 不符合 “温和的反应条件（T）”，需要加热（耗能），且需催化剂，步骤稍多 产物 符合 “预防废弃物产生（P）”“极少的副产物（V）”，产物水和氧气，均无害、无废弃物 不符合 “预防废弃物产生（P）”“极少的副产物（V）”，产物含固体废弃物，若丢弃需妥善处理（否则易污染环境） 较符合 “预防废弃物产生（P）”，产物KCl和O2无害，但反应过程因加热、用催化剂，综合环境影响比过氧化氢分解大 20 探·知识奥秘 二、基于绿色化学评估化学反应 总结与反思交流 从“原子利用率”和“原料、过程、产物”的系统评估看，分解过氧化氢制取氧气更符合绿色化学理念：原子利用率较高、原料相对友好、反应条件温和、产物无害。 绿色化学的核心是“源头控制污染”，需通过“原子经济性、原料可再生性、过程节能性、产物无害性”等多原则综合评估反应。 21 探·知识奥秘 二、基于绿色化学评估化学反应 对绿色化学的认识 绿色化学的核心是 “从一开始就不产生废弃物”—— 就像过氧化氢分解，产物只有水和氧气，根本无需后续处理，这比 “产生废弃物再治理” 更高效、更环保。 绿色化学是 “源头控制”，而非 “末端治理” 01 色化学不是 “单一原则达标”，而是要兼顾原子经济性、原料可持续性、过程安全性等多个维度。 评估化学反应需 “多维度综合判断” 02 化学不仅是 “实验室里的知识”，更是解决实际问题的工具 —— 未来运用化学知识时，必须兼顾 “效益” 与 “环保”，比如选择反应时，要优先考虑对资源、环境、人体无害的方案，这是化学学习者的社会责任。 化学实践与 “社会责任” 紧密关联 03 22 探·知识奥秘 二、基于绿色化学评估化学反应 绿色化学原则的选择与权衡 01 原子经济性是绿色化学的 “核心指标”（直接反映原子浪费程度），预防废弃物是 “核心目标”（避免污染源头） 因此，排除了加热高锰酸钾：其原子利用率仅 10.1%（远低于另外两种），还产生两种固体废弃物，既浪费原子又需后续处理，在核心原则上严重不达标。 第一步：优先聚焦 “核心原则”—— 原子经济性与预防废弃物 02 从 “温和条件” 看：过氧化氢常温下加催化剂即可反应，无需加热。从 “原料可再生性” 看：过氧化氢的原料（如氢气）可通过太阳能驱动的水电解制备（相对可再生）；氯酸钾的原料（钾盐矿、食盐）是不可再生矿物，长期使用会导致资源枯竭。 第二步：结合 “次要原则”—— 温和反应条件与原料可再生性 03 核心原则（原子经济性、预防废弃物）的权重高于次要原则（原料可再生性、温和条件），但次要原则可作为 “加分项” 决定最终选择。 第三步：处理 “原则冲突”—— 明确 “权重优先级” 23 理·核心要点 基于绿色化学探究实验室制氧气的原理 板书板块 具体内容 绿色化学核心 从源头减少 / 消除污染 三种制氧反应 化学方程式 1. 分解过氧化氢 2. 加热高锰酸钾： 3. 加热氯酸钾： 原子利用率示例 过氧化氢分解：≈47.1%；高锰酸钾分解：≈10.1%；氯酸钾分解：≈39.2% 系统评估结论 分解过氧化氢制取氧气更符合绿色化学理念 2H2O2 2H2O + O2⬆ 二氧化锰 +O2⬆ 2KMnO4 K2MnO4 +MnO2 加热 3O2⬆ 2KClO3 2KCl+ 二氧化锰 加热 24 1．在完成跨学科实践活动“基于绿色化学探究实验室制氧气的原理”后，对绿色化学有了一些新的认识，以下有关“绿色化学”认识错误的是（ ） A．在生产新产品的过程中尽可能使用成本低的原材料 B．化工生产的原料和产品尽可能无毒、无害 C．探求新的、更安全的、对环境更友好的化学合成路线和生产工艺 D．三种实验室制氧方法中，原子利用率最高的是“分解过氧化氢” 析·典型范例 A 2．我国科学家利用新型催化技术实现了绿色制取CH4，反应的微观示意图如图所示。下列说法正确的是（ ） A．反应后氢原子的个数增多 B．催化剂的化学性质发生改变 C．反应生成c、d的质量比为4：9 D．a、b按分子个数4：1进行该反应 析·典型范例 C THANKS! 谢谢观看 九年级化学 上册·鲁教版2024 $