潜水、登山与实验室的秘密：我们如何制取氧气？

【来源：易教网 更新时间：2026-03-02】

各位同学，大家好。今天我们要聊一个既熟悉又充满神秘感的化学课题——氧气的制备。

大家可能在很多地方见过氧气。比如在电视上，我们经常看到潜水员背着沉重的氧气瓶潜入深海，或者登山运动员在攀登珠穆朗玛峰时戴着面罩吸氧。这不禁让我们思考：为什么在这些场景下，人们必须携带氧气？空气中不是也含有氧气吗？

空气中确实含有氧气，体积分数大约为21%。对于生活在平原地区的我们来说，这个浓度足以维持正常的生理活动。一旦我们进入深海、高空，或者身处密闭空间，空气中的氧气分压就会下降，或者氧气被其他气体取代，这时候，高浓度的纯净氧气就显得至关重要。

这就引出了我们今天的核心问题：在工业生产或者实验室里，我们究竟如何高效地制取氧气？

从工业到实验室：制取氧气的不同路径

在工业生产中，我们通常采用分离液态空气法。这是一个物理变化的过程。利用空气中氮气和氧气的沸点不同，在低温下加压，将空气液化，然后通过蒸发，让氮气先逸出，剩下的主要就是液态氧。

不过，在学校的化学实验室里，我们无法具备如此庞大的工业设备。我们需要一种更安全、更易于操作，且反应条件相对温和的方法。根据人教版九年级化学教材的设计，我们通常采用三种方法来制取氧气：过氧化氢在二氧化锰催化下分解、加热高锰酸钾分解，以及加热氯酸钾在二氧化锰催化下分解。

这三种方法虽然原理不同，但核心思想都是利用化学分解反应，将含氧化合物中的氧元素“释放”出来。

催化剂的魔力：二氧化锰的角色

在探讨具体的制取方法之前，我们需要先理解一个在化学中极其重要的概念——催化剂。以过氧化氢分解为例，如果我们直接把过氧化氢溶液倒入试管，虽然也会产生氧气，但反应速度极慢，肉眼几乎难以观察到气泡。

一旦我们向其中加入少量的黑色粉末——二氧化锰，奇迹就会发生。试管中迅速产生大量的气泡，如果用带火星的木条检验，木条会复燃，证明产生的气体确实是氧气。

在这个过程中，二氧化锰到底扮演了什么角色？

经过化学家的精密实验测量，我们发现二氧化锰在反应前后的质量和化学性质都没有发生改变。它像一个神奇的“媒人”，降低了过氧化氢分解所需的能量，大大加快了反应速率。这种在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质，叫做催化剂。

我们用化学方程式来描述这个过程：

\[ 2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2 \uparrow \]

在这个方程式中，\( MnO_2 \) 写在等号上方的箭头位置，表示它作为催化剂参与了反应。理解了这一点，我们就能明白为什么在实验室制取气体时，催化剂的选择如此关键。

高温下的蜕变：高锰酸钾与氯酸钾

除了常温下利用催化剂分解过氧化氢，我们还可以通过加热的方式来获取氧气。

高锰酸钾是一种暗紫色的固体，俗称灰锰氧。它受热时会发生分解反应，产生锰酸钾、二氧化锰和氧气。这个反应非常直观，随着加热的进行，紫黑色的固体逐渐减少，试管口会出现冷凝的水珠，同时我们可以通过排水法收集到无色的氧气。

其化学方程式为：

\[ 2KMnO_4 \xrightarrow{\Delta} K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2 \uparrow \]

另一个常见的方法是加热氯酸钾。白色的氯酸钾晶体在二氧化锰的催化作用下，加热到约\( 400^\circ C \)时会分解放出氧气。如果不加催化剂，氯酸钾需要加热到更高的温度才能缓慢分解，而且还会伴随产生少量的副产物。

反应的化学方程式为：

\[ 2KClO_3 \xrightarrow{MnO_2, \Delta} 2KCl + 3O_2 \uparrow \]

值得注意的是，虽然这两个反应都需要加热，但它们本质上都属于分解反应。所谓分解反应，就是由一种反应物生成两种或两种以上其他物质的反应。这是我们学习化学以来，除了化合反应之外，接触到的又一类基本反应类型。

实验室制取氧气的完整装置

理解了原理，接下来我们就要动手操作了。在实验室里，一套完整的气体发生装置和收集装置是必不可少的。

对于加热固体（如高锰酸钾或氯酸钾）来制取气体，我们需要使用“固+固加热型”的发生装置。这套装置的核心是试管。试管口应该略微向下倾斜，这是为了防止冷凝水回流到热的试管底部，导致试管炸裂。

同时，为了防止加热时高锰酸钾粉末进入导管，我们通常在试管口塞一团棉花。导管伸入试管内不宜过长，只要刚刚露出橡皮塞即可，这样有利于气体的排出。

收集气体则取决于气体的性质。氧气不易溶于水，且不与水反应，因此我们可以使用排水法收集。这种方法收集的气体比较纯净，而且便于观察集气瓶是否集满。当我们看到集气瓶口有大气泡向外冒出时，说明氧气已经收集满了。

另一种方法是向上排空气法。因为氧气的密度比空气大，不与空气中的成分发生反应，我们可以将导管伸入倒立的集气瓶底部，利用密度差将空气挤出。验满时，需要将带火星的木条放在集气瓶口，如果木条复燃，则说明氧气已满。

化学的眼光：从现象到本质

我们在课堂上进行实验时，不仅要看到热闹的现象，更要学会透过现象思考背后的本质。

当我们看到铁丝在氧气中剧烈燃烧，火星四射，生成黑色固体时，我们思考的是氧气的氧化性；当我们看到硫在氧气中燃烧发出明亮的蓝紫色火焰时，我们思考的是反应浓度对现象的影响。

这些实验虽然精彩，但安全永远是第一位的。在制取氧气，特别是使用加热装置时，我们必须严格遵守实验操作规范。比如，在加热前要先预热；实验结束时，先将导管移出水面，再熄灭酒精灯。这个顺序绝对不能颠倒。如果先熄灭酒精灯，试管内的温度降低，气压减小，水槽中的水就会倒吸入热的试管，导致试管炸裂。

学习方法的启示：从被动接受到主动探究

回顾这节课关于《制取氧气》的学习过程，我们可以提炼出一些通用的学习方法。

化学是一门以实验为基础的学科。仅仅死记硬背几个化学方程式，是学不好化学的。我们需要像今天这样，从生活中的实际问题出发（如潜水员为何吸氧），带着疑问去探索，通过实验观察现象，再通过逻辑推理得出结论。

在未来的学习中，无论是制取二氧化碳，还是探究其他物质的性质，我们都会用到今天学到的思维模型：反应原理、发生装置、收集装置、验满方法。这套逻辑框架不仅适用于氧气，也适用于绝大多数气体的制备与性质研究。

通过本节课的学习，希望大家掌握的不仅仅是氧气的制取方法，更重要的是掌握一种科学探究的思维方式，培养严谨求实的科学态度。当大家下次再看到医院里的氧气罐，或者工业上的制氧设备时，脑海中浮现的应该不仅仅是气体，而是这些清晰、美妙的化学方程式和反应原理。

这就是化学的魅力所在，它用最微观的粒子运动，解释了我们宏观世界中的种种奥秘。