氧气管子的历史实际上像极了 factory line 里的巨型传送带,上面堆满了各种各样的玻璃瓶,每一瓶里都装着被挤得天翻地覆的氧气。想把它从水里“捞”出来,那是个既原始又疯狂的过程,主要在二战那会儿,从水里把氧气挖出来,简直就是一种工业原浆的提炼术。
那时候实际上是用一种叫“双氧水”的东西,加热的与此同时吹进空气,让那些细小的气泡像蜜蜂一样飞进瓶子里,别看效率低,但确实能混进氧气。 打个比方,这就好比你在一个装满沙子的桶里反复倒水,沙子会慢慢流出来,而你一直在用嘴吹气,试图把沙子吹起来。
这种原始的办法,后来被化学家们给优化了一整套,那就是目前用的那个“加热高锰酸钾”的方案。别误会,那是化学家们发明的,不是工厂流水线。他们把一种紫色的晶体,也就是锰酸钾,磨成粉末,混合到二氧化锰里再加一点过氧化氢,然后放进试管里烧。 注意一下,高锰酸钾那玩意儿,不是一般/平平的锰,而是锰的超氧化物,在燃烧的时候它表现得像个暴徒,疯狂地把你手里捂着的试管烫得冒黑烟,那一刻你才能闻到那股刺鼻的、带着硫磺味的浓烟味。
一般/平平学生第一次闻这个味道,估摸得屏住呼吸,就连得找个漏气的小瓶子吞进去,不然呛得把自己呛死。 加热高锰酸钾这个方案,别看目前听起来有点笨重,但它的核心逻辑实际上超好办:你只需求把温度烤高,让氧气自己跑出来。
你看那个反应式,KMnO4 在加热的时候,自己分解成锰酸钾、二氧化锰和氧气,化学方程式写成 `2KMnO4 -> K2MnO4 + MnO2 + O2`,这看起来就像在算账,一个分子变成了两个。但在实际操作里,这个过程简直是个黑魔法,出于加热到三千多度,试管壁会被烫得通红,玻璃会变形,并且那个紫色的晶体得变成棕黑色的二氧化锰,颜色一变你就知道火候到了,但如何管住温度是个大难题。 有人可能认定,目前科技如此发达,不用加热如此费事?自然不用了。
后来人们发现了一个更智慧的家伙,那就是过氧化氢,俗称双氧水。
这东西别看名字听着吓人,但实际上是个弱酸,一般/平平的浓度只有 3% 左右,像牙膏里那种。你往试管里倒几滴水,滴上几滴双氧水,然后塞进一团棉花,对着火焰就能点燃。 这时候要注意,双氧水分解的方程式是 `2H2O2 -> 2H2O + O2`,你看那个系数,两个水分子变成一个氧气,比高锰酸钾那个方程式好看多了。反应条件也挺好办,常温下就能形成,只需求一点点能量就能启动,比如搓搓小手要么搓搓手肘,就连把试管放进热水里都能行。并且这个反应有个特征,生成的氧气是“呼噜呼噜”冒出来的,不像高锰酸钾那样是“唏唏唏”地炸开,听起来就没那么吓人。 不过话说回来,目前还有人在用那个加热高锰酸钾的方式吗?实际上大局部人都用双氧水的方式,出于更卫生。但要是你要在野外要么实验室里做实验,想要那种纯粹的氧气,那可能又要倒腾高锰酸钾了。说到高锰酸钾,这东西在实验室里是个“好相公”,出于它不仅能供给氧气,还能顺便供给二氧化锰,二氧化锰还能把你剩下的过氧化氢催化分解,形成一个良性循环。你一边加热,一边混合,一边形成氧气,一边又分解掉富余的过氧化氢,整个过程一气呵成。 再说说那个数据,要是按照最基础的化学计量来计算,假设你要制取 32 克氧气,那需求的氧气分子数量固定。而要是是用双氧水,一般实验室配制的浓度是 9% 要么 30%,9% 的浓度大约含有 0.9 摩尔每升的氧气分子。
这就意味着,要是你要制取 32 克氧气,理论上需求多少体积的液体,就能算出来。但实际操作中,出于双氧水中的水分子按 2:1 的比例和水结合,故此实际需求加入的水和双氧水的比例得按这个比例来配,否则反应效率一下就低了。 至于那个冒黑烟的高锰酸钾反应,实际上也是个循环过程。刚启动加热,高锰酸钾分解成二氧化锰,二氧化锰又会催化过氧化氢分解,形成更多氧气。
随着反应进行,试管里的高锰酸钾越来越少,二氧化锰越来越多,颜色由紫变棕,这个变色过程实际上就是反应进程的一个直观展示。
要是颜色没变,说明还没烧透,持续加热;要是颜色已经变深且不再变化,说明反应可能快到头了,要么氧气已经收集够了。 最终总结一下,制取氧气这事儿,真没有标准答案,只有最适合你当下的方案。
要是你在学校做实验,选加热高锰酸钾,要记得照顾好自己的眼,出于黑烟能伤眼;要是你在家里想做个小实验,拿双氧水,保险系数高,反应也温和,适合新手。两种方式各有千秋,前者适合需求纯净氧气且对温度管住要求高的场合,后者适合日常观察要么小规模制备。你认定哪种方式更能让你快乐呢?