在化学的奇妙世界中，气体的制取是一项基础且重要的实验内容，利用高锰酸钾制取氧气，不仅是中学化学实验的经典项目，更是打开化学实验操作与化学原理理解大门的一把钥匙，它蕴含着丰富的化学知识，从化学反应原理到实验操作细节，从产物的性质到实际应用,都值得我们深入探究。
高锰酸钾制氧气的化学反应原理
高锰酸钾（$KMnO_4$）是一种紫黑色的固体，具有强氧化性，在加热的条件下，高锰酸钾会发生分解反应，生成锰酸钾（$K_2MnO_4$）、二氧化锰（$MnO_2$）和氧气（$O_2$），其化学反应方程式为：$2KMnO_4 \stackrel{\triangle}{=!=!=} K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2\uparrow$ 。
从氧化还原反应的角度来看，在这个反应中，锰元素的化合价发生了变化，高锰酸钾中锰元素的化合价为 +7 价，反应后，锰酸钾中锰元素的化合价变为 +6 价，二氧化锰中锰元素的化合价变为 +4 价，而氧元素的化合价从 -2 价升高到 0 价，被氧化，生成了氧气，这是一个典型的自身氧化还原反应,高锰酸钾既是氧化剂又是还原剂。
实验仪器与装置
（一）实验仪器
进行高锰酸钾制氧气实验所需的仪器有：铁架台（带铁夹）、酒精灯、试管、带导管的橡胶塞、水槽、集气瓶、玻璃片等，还可能用到药匙、棉花等辅助用品。
（二）实验装置
实验装置主要分为发生装置和收集装置，发生装置采用固体加热型，即将高锰酸钾固体放入试管中，用酒精灯加热，试管口要略向下倾斜，这是为了防止加热时产生的冷凝水回流到热的试管底部，使试管炸裂，在试管口放一团棉花，其作用是防止高锰酸钾粉末进入导管,堵塞导管。
收集装置可以根据氧气的性质来选择，由于氧气不易溶于水，且不与水发生反应，所以可以采用排水法收集氧气，排水法收集氧气的优点是收集到的氧气比较纯净；氧气的密度比空气略大，也可以采用向上排空气法收集氧气，但用向上排空气法收集的氧气可能会混有一些空气,纯度相对较低。
实验操作步骤
（一）连接仪器并检查装置气密性
将铁架台、酒精灯、试管、导管等仪器按要求连接好，将导管的一端放入水中，用手紧握试管外壁，如果观察到导管口有气泡冒出，松开手后，导管内形成一段水柱，说明装置气密性良好，若气密性不好，需要检查各连接处是否松动，或更换橡胶塞等,直至气密性合格。
（二）装药品
用药匙或纸槽将高锰酸钾粉末小心地送入试管底部，然后将一团棉花放在试管口,再塞紧带导管的橡胶塞。
（三）固定装置
将装有药品的试管固定在铁架台上，试管口略向下倾斜，铁夹应夹在离试管口约 1/3 处。
（四）加热
点燃酒精灯，先对试管进行预热，使试管均匀受热,然后再将火焰集中在药品部位加热。
（五）收集氧气
当导管口有连续均匀的气泡冒出时，开始收集氧气，采用排水法收集时，将集气瓶装满水，倒放在水槽中，导管伸入集气瓶口，等气泡连续均匀冒出时，再将导管伸入集气瓶内收集氧气，当集气瓶口有较大气泡冒出时，说明氧气已收集满，此时用玻璃片盖住集气瓶口，将集气瓶从水槽中取出，正放在桌面上，若采用向上排空气法收集氧气，将带火星的木条放在集气瓶口，若木条复燃,说明氧气已收集满。
（六）停止加热
实验结束后，先将导管从水槽中取出，然后再熄灭酒精灯，这是为了防止水槽中的水倒吸进入试管,使试管炸裂。
注意事项及常见问题分析
（一）注意事项
- 试管口的棉花要放置合适，既不能过多影响气体导出,也不能过少起不到防止粉末进入导管的作用。
- 加热时要先预热，再集中加热,防止试管局部过热而炸裂。
- 用排水法收集氧气时，要等气泡连续均匀冒出时再收集,否则收集到的氧气不纯。
- 实验结束时，一定要先将导管从水槽中取出，再熄灭酒精灯,避免倒吸现象的发生。
（二）常见问题分析
- 如果收集到的氧气不纯，可能的原因有：没有等气泡连续均匀冒出就开始收集；集气瓶没有装满水，留有气泡；装置气密性不好等。
- 如果加热过程中试管炸裂，可能是因为试管口没有略向下倾斜，导致冷凝水回流；没有预热就直接集中加热；试管外壁有水等。
- 如果导管堵塞，可能是因为棉花放置不当,高锰酸钾粉末进入导管。
氧气的性质及应用
（一）氧气的物理性质
氧气是一种无色无味的气体，在标准状况下，密度为 1.429g/L，比空气略大，氧气不易溶于水，在 0℃、1 个标准大气压下，1 体积水中大约能溶解 0.049 体积的氧气。
（二）氧气的化学性质
氧气具有助燃性，能支持许多物质的燃烧，木炭在氧气中剧烈燃烧，发出白光，放出热量，生成能使澄清石灰水变浑浊的气体；硫在氧气中燃烧，发出明亮的蓝紫色火焰，产生有刺激性气味的气体；铁丝在氧气中剧烈燃烧，火星四射,生成黑色固体等。
（三）氧气的应用
氧气在生活和生产中有广泛的应用，在医疗方面，氧气常用于急救病人，为呼吸困难或缺氧的患者提供氧气支持；在工业上，氧气可用于钢铁冶炼，提高钢铁的产量和质量；在航空航天领域，氧气是火箭发动机燃烧的助燃剂，为火箭提供强大的动力；在潜水、登山等活动中，人们也需要携带氧气瓶,以满足在缺氧环境中的呼吸需求。
拓展与创新
随着科学技术的发展，对于高锰酸钾制氧气实验也有了一些拓展和创新，在实验装置方面，有人设计了更加简洁、高效的改进装置，减少了实验操作的复杂性；在实验药品方面，也有研究尝试添加一些催化剂,提高高锰酸钾的分解速率等。
我们还可以将高锰酸钾制氧气实验与其他化学知识相结合，开展综合性的实验探究，探究氧气与不同物质反应的条件和产物，研究氧气在化学电池中的应用等,进一步拓展我们对化学知识的理解和应用能力。
高锰酸钾制氧气实验虽然是一个基础的化学实验，但它涵盖了丰富的化学原理、实验操作技能以及实际应用知识，通过对这个实验的深入探究，我们不仅能够掌握基本的化学实验方法，还能更好地理解化学在生活和生产中的重要作用，激发我们对化学科学的兴趣和探索精神。