進(jìn)一步探究測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)

　　一、實(shí)驗(yàn)原理的探究
　　測(cè)定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)原理是固態(tài)的紅磷在點(diǎn)燃的條件下與空氣中的氧氣反應(yīng)，生成固體五氧化二磷，從而導(dǎo)致瓶內(nèi)的氣壓小于外界的大氣壓，所以大氣壓會(huì)把水壓入瓶內(nèi)，導(dǎo)致瓶中的水位上升，而水位的上升，又會(huì)引起瓶內(nèi)的氣壓增大，當(dāng)瓶內(nèi)的氣壓和外界的大氣界相等時(shí)，瓶內(nèi)的水位不再上升。所以上升水位的體積等于空氣中氧氣的體積，從而測(cè)出空氣中氧氣的含量，從實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行探究，該實(shí)驗(yàn)不能用硫或碳來代替紅磷，因?yàn)樗鼈兣c氧氣雖能反應(yīng)，但生成的二氧化硫和二氧化碳都是氣體，不能導(dǎo)致氣壓減小，但考慮到它們二者都有一部分溶于水，而且二氧化硫的溶解性還比較大，也會(huì)導(dǎo)致瓶內(nèi)的氣壓減小，從而也能測(cè)出氧氣的含量，但測(cè)量的結(jié)果會(huì)偏小。另外，從環(huán)境保護(hù)的角度來考慮，使用硫來代替紅磷也是不環(huán)保的，因?yàn)槎趸蚴怯写碳ば詺馕兜挠卸練怏w，是一種大氣污染物。同時(shí)從實(shí)驗(yàn)原理也可以得出，不能用鐵，因?yàn)殍F在空氣中是不能燃燒的。
　　
　　二、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的探究
　　從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，當(dāng)水位變化為剩余體積的四分之一時(shí)就停止了，說明該反應(yīng)消耗的氧氣體積約占空氣體積的20％左右，這里的百分比，指的是體積百分比，而不能理解成氧氣的質(zhì)量約占空氣質(zhì)量的20％，同時(shí)該反應(yīng)后，剩余的氣體主要是氮?dú)猓f明了氮?dú)獠蝗苡谒幕瘜W(xué)性質(zhì)不活潑，其體積百分比約占空氣體積的80％左右，進(jìn)一步說明了空氣主要是由氧氣和氮?dú)饨M成的混合物。
　　三、實(shí)驗(yàn)裝置的探究
　　通過實(shí)驗(yàn)，我們可以得出，在相同空間內(nèi)可燃物的燃燒面積大、燃燒劇烈、火焰旺，單位時(shí)間放出的熱量就多，周圍空氣受熱膨脹程度(范圍)也就大；燃燒面積小、燃燒不劇烈、火焰不旺，單位時(shí)間放出的熱量就少，空氣受熱膨脹程度也就小。所以，本實(shí)驗(yàn)選擇的反應(yīng)容器大小要適中(如選擇250mL左右的廣口瓶)；由于該裝置中，點(diǎn)燃燃燒匙內(nèi)的紅磷后要立即塞緊瓶塞，從理論上講是可行的，但考慮到人的反應(yīng)再快也需要一定的時(shí)間，所以也會(huì)造成一定的誤差。所以，若采用兩端開口的透明的玻璃容器，一端先插上橡皮塞和燃燒匙，燃燒匙內(nèi)預(yù)先放好紅磷，另一端插入盛水的水槽中，再利用凸透鏡對(duì)光的會(huì)聚作用來點(diǎn)燃紅磷，可以提高實(shí)驗(yàn)的精確度。另外，由于水的顏色與玻璃容器的顏色比較接近，觀察水面上升的時(shí)候不太明顯，因此，可以往水里滴上幾滴藍(lán)黑墨水，這樣可以有效增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可視性。
　　
　　四、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)及其造成誤差的探究
　　1　要檢驗(yàn)裝置的氣密性是否良好。如果裝置的氣密性差，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差較大，所以實(shí)驗(yàn)前一定要檢驗(yàn)裝置的氣密性。
　　2　需在集氣瓶里先加入少量的水。因?yàn)榧t磷與空氣中的氧氣反應(yīng)會(huì)放出大量的熱和白煙，如果沒有水會(huì)導(dǎo)致集氣瓶破裂，從而造成實(shí)驗(yàn)失敗；另一方面，水的存在能有效地吸收白煙，即五氧化二磷，且這種物質(zhì)是有毒的，所以，放水就顯得尤為重要了。
　　3　燃燒匙中的紅磷要充足。原因是如果紅磷不足，會(huì)造成瓶內(nèi)的氧氣反應(yīng)不完全，從而所測(cè)得的氧氣體積會(huì)比真實(shí)的體積偏小。另外，即使紅磷充足，氧氣也不會(huì)完全消耗完的，因?yàn)楫?dāng)氧氣的濃度較低到一定數(shù)值時(shí)就不能達(dá)到助燃的作用，再多的紅磷也只有熄滅了，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)論只能是氧氣體積百分比約等于20％。
　　4　點(diǎn)燃紅磷后要立即塞緊瓶塞。若不能立即塞緊，外界的空氣會(huì)進(jìn)入瓶內(nèi)，相當(dāng)于瓶內(nèi)的氧氣沒有反應(yīng)完，也會(huì)造成所測(cè)得的氧氣體積會(huì)比真實(shí)的體積偏小。
　　5　反應(yīng)完后要等到裝置冷卻到室溫才打開止水夾，否則瓶內(nèi)氣溫高于外界氣溫，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可知，進(jìn)入瓶內(nèi)的水會(huì)偏少，這樣所測(cè)得的氧氣體積百分比小于20％。
　　6　止水夾要夾緊。由于紅磷與空氣中的氧氣反應(yīng)放出了大量的熱，引起瓶內(nèi)氣體膨脹，從而導(dǎo)致瓶中氣體從導(dǎo)管逸出，相當(dāng)于反應(yīng)掉的氧氣增多，所測(cè)氧氣的體積要比真實(shí)的體積偏大，即測(cè)得的氧氣體積百分比大于20％。所以，可以預(yù)先在導(dǎo)管里先充入水，這樣既能提高裝置的氣密性，又能防止氣體從導(dǎo)管中逸出。
　　在實(shí)驗(yàn)中積極引導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行多角度探究，對(duì)深化實(shí)驗(yàn)、完善實(shí)驗(yàn)、拓展實(shí)驗(yàn)、活化實(shí)驗(yàn)，形成正確的實(shí)驗(yàn)操作技能，有著非常重要的作用。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的探究，使學(xué)員對(duì)已掌握的知識(shí)有更深的理解，能培養(yǎng)他們熱愛化學(xué)，學(xué)好化學(xué)的興趣，不斷探索未知的化學(xué)世界。
　　(作者單位第二炮兵青州士官學(xué)