測定空氣中氧氣含量實驗的創新設計

◆王冰

作者：王冰，阜陽市第九中學，研究方向為中學化學教育教學（236400）。

1 問題的提出

實驗是學習、體驗和探究化學過程的重要途徑。化學教材中安排的每一個化學實驗，都是為化學教學服務的，實驗的成敗決定著化學教學整體的成敗。初中化學教學的第一任務就是培養學生對化學的興趣，只要學生在學習初期對化學有興趣，學生學習化學的信心就會非常足。

測定空氣中氧氣含量實驗是九年級化學中接觸到的第一個定量分析實驗，該實驗對于學生認識空氣的成分，了解空氣中氧氣的含量，有著重要的指導意義；對于激 發學生學習化學的興趣，讓學生主動地獲取科學知識，學習科學探究的方法，有著非常重要的啟蒙意義。

最早對空氣成分中氧氣含量的定量測定是由法國化學家拉瓦錫提出的：如圖1所示，給密閉容器中少量的汞（即水銀）連續加熱12天之久，發現有一部分銀白色的液態汞變成紅色的粉末，同時容器里空氣的體積差不多減少了五分之一；他將紅色物質取出后加強熱，發現紅色物質分解成液態的汞和氧氣，將氧氣放入原密閉容器中，發現容器中的氣體成分和空氣的成分一樣。于是，拉瓦錫得出空氣中氧氣的體積約占空氣體積的1/5。這個實驗顯然在課堂上無法完成。為了給學生以直觀的感受，加強學生對空氣中氧氣含量的認識，教材中設計了一個簡易實驗，以測定空氣中氧氣的含量。

在早期如二十世紀七八十年代的人民教育出版社出版的九年義務教育三年制初級中學教科書《化學》（全一冊）課本上第7頁有如圖2所示的裝置，其方法是將鐘罩放入盛水的水槽中，以水面為基準線，將鐘罩水面以上容積分為5等分，通過紅磷燃燒消耗氧氣，然后觀察進入水的體積來測定（如圖2所示）。

現在人民教育出版社出版的九年義務教育課程標準實驗教科書《化學》上冊第27頁有圖3所示實驗裝置，其方法是在集氣瓶內加入少量水，將集氣瓶水面以上容積劃分為5等分，通過紅磷燃燒消耗氧氣，然后觀察進入水的體積來測定（如圖3所示）。

其實對于空氣認識，人們是從身邊生活的燃燒開始的。在小學自然科學常識教材中也有類似的實驗，利用蠟燭的燃燒實驗，了解認識空氣中氧氣的存在，主要目的是給學生一個定性的認識。

盡管九年制義務教育教材版本反復修訂過多次，但空氣成分中氧氣含量的測定實驗在九年級化學教材中并沒有被刪去，且實驗的目的很明確：利用紅磷的燃燒，消耗掉密閉容器內的氧氣，從而使密閉容器內氣體壓強降低；利用大氣壓強原理，觀察水的進入量，從而較準確地測定出空氣中氧氣的含量，給學生一個定量的認識。

多年的教學生涯中，筆者分別用圖2和圖3裝置重復做過多次實驗，但都很難達到理想的效果，相信很多同行在做該實驗時都會有同感。因為實驗時要在瓶外的酒精燈上加熱引燃紅磷，再伸入密閉容器內，并塞緊橡膠塞；燃著的紅磷伸入容器的瞬間，容器內的空氣受熱會發生膨脹，部分空氣被排出，特別是氮氣的逸出，導致實驗結果不夠準確。其次，在酒精燈上點燃紅磷時生成的五氧化二磷顆粒會以白煙的形式擴散到空氣中，造成空氣的污染。

一些資料、雜志也介紹過一些測定空氣中氧氣含量的實驗，裝置大致見圖4。從設計上說，這些思路都很有創意，但實際操作中卻有很多困惑。有些實驗的操作過于理論化，只能是紙上談兵；有的實驗甚至根本無法達到預期的效果或無法完成實驗（如：有些實驗設計用玻璃管內燃燒白磷觀察活塞的移動，這種方式使用的白磷有劇毒，玻璃管也極易炸裂，存在安全隱患；有些實驗設計利用加熱的銅片或銅絲、鐵絲的銹蝕消耗氧氣，這種方式時間上具有不確定性，理論上也很難把氧氣消耗完；有些實驗設計用放大鏡聚光來點燃紅磷，這種方式要選擇天氣狀況和教室的位置，同時也很難引燃紅磷）。

空氣中氧氣含量的測定是初中化學中一個非常重要的探究實驗，也是各種測試中的考查熱點。為幫助學生更好地掌握相關知識，培養學生科學求實、一絲不茍的嚴謹學習態度，為此，特提出改進方案。

2 實驗改進方案

實驗儀器及藥品 集氣瓶（1個）、與集氣瓶配套的橡膠塞（1個）、燒杯（1支）、燃燒匙（1個）、長約6厘米直徑約1毫米粗銅絲2根、彈黃夾1個、乳膠管、導氣管、紅磷、水、導線3根、長約0.5厘米的廢電爐絲一截、學生電源1個、電鍵開關1個（也可省去，因為學生電源中已含開關）、打孔機。

實驗改進原理 在教材實驗的基礎上，開啟學生電源，利用電流的熱效應使電爐絲發熱，引燃紅磷，消耗掉密閉的集氣瓶內的氧氣，從而使甁內壓強降低。

儀器的組裝說明 按圖5所示，先根據需要用打孔機給橡膠塞分別打4個小孔，安裝好燃燒匙、銅絲、導氣管；在2根銅絲的下端（伸入集氣瓶部分剝去塑料皮）連接一段廢電爐絲，調整與燃燒匙的距離，間隔大約0.2厘米；再把橡膠塞與集氣瓶相連，并連接好導氣管；最后在2根銅絲的上端再分別用導線與電源、開關相連。

實驗儀器裝置如圖5所示。

實驗操作及現象

步驟一：按圖5，安裝好儀器裝置，并檢查反應裝置的氣密性。

步驟二：如圖5所示，在燒杯中放入足量水，燃燒匙內放入足量紅磷，放入密閉的集氣瓶中，在集氣瓶中預先留置少量水，塞緊橡膠塞，用彈簧夾夾緊乳膠管。

步驟三：連接電源，閉合電鍵開關；引燃紅磷后，斷開電源開關，繼續觀察現象。

步驟四：待紅磷熄滅后，冷卻裝置至室溫，打開彈簧夾，觀察現象。

結果表明，燒杯中的水立即進入集氣瓶中，約為集氣瓶剩余容積的五分之一（事先做好標記，以便觀察），實驗效果明顯，效果良好。

3 實驗的創新點及裝置改進的意義

1）理化結合，利用物理知識來解決化學問題，加強學科間的聯系。

2）操作簡單易行。實驗準備好后，只需開啟、斷開電源開關（或閉合電鍵開關），最后打開彈簧夾，觀察現象即可，避免了以往按教材上的方法操作手忙腳亂的尷尬。

3）實驗現象清晰明顯，可視性強。

4）防止了環境污染。教材上的實驗，在瓶外加熱引燒紅磷時有五氧化二磷白煙生成，逸散到空氣中，會污染環境。

5）減少了實驗誤差，裝置始終處于密封狀態，實驗數據準確。而教材上的實驗，燃著的紅磷伸入容器的瞬間，難免有少量空氣特別是氮氣逸出，增加了實驗效果的不確定性。因為氮氣的含量大于氧氣，實驗的結果可能會造成最后的進水量大于五分之一。

[1]九年義務教育三年制初級中學教科書:化學（全一冊）[M].北京:人民教育出版社,1989:7.

[2]化學（上冊）[M].北京:人民教育出版社,2006:27.