紅磷、白磷在密閉容器中燃燒的耗氧量探究

陳學東+嚴西平

摘要：測定空氣中氧氣的體積含量是九年級化學中一個重要實驗，采用教材中的實驗方法進行實驗時常出現(xiàn)負誤差，實驗效果不理想。使用氧氣傳感器，借助數(shù)字化實驗裝備再次探究。分析誤差產(chǎn)生的原因并嘗試尋找更好的實驗藥品及方法。

關(guān)鍵詞：紅磷；白磷；氧氣傳感器；數(shù)字化實驗

文章編號：1008-0546（2014）07-0090-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.07.034

義務教育教科書滬教版化學上冊[1]空氣中氧氣體積含量的測定是九年級化學教學中一個非常重要的實驗。教材中的實驗設(shè)計如圖1所示，實驗時，通過紅磷燃燒消耗氧氣，使集氣瓶中氣壓下降，外界氣壓將水壓入集氣瓶中，進入集氣瓶中的水的體積即為瓶中氧氣的體積，同時教材中也明確提出了要進行誤差分析。從理論上講，該實驗設(shè)計是完全可行的，但在實際操作中，實驗結(jié)果往往呈現(xiàn)負誤差。而教師引導學生僅從操作的層面進行討論，如瓶體積5等分不準確、紅磷用量太少、裝置漏氣、沒有迅速將紅磷伸入集氣瓶中等，不一而足。但是偏偏漏掉了反應是否完全這一重要的因素，上述假設(shè)都是建立在反應百分百完全的基礎(chǔ)上？反應的真實情況是這樣的嗎？通過查閱一些相關(guān)的文獻資料并分析，我們認為有些誤差的確是由于實驗時的人為原因造成的，可以通過提高實驗者的實驗操作能力來得到改善。但某些文獻資料[2-3]同時也指出，在這種條件下密閉容器中紅磷燃燒無法把氧氣完全耗盡。為了探究實驗的真實情況，我們借助數(shù)字化實驗，對教材中的實驗裝置進行改進，設(shè)計了圖2裝置進行實驗。

改進說明：

（1）為了便于與教材的實驗進行對比說明，對教材中的反應裝置沒有作大的改動，僅把測定氧氣含量的方法改為使用氧氣傳感器測定（將橡皮塞切開一個圓形口，正好塞入氧氣探頭），使密閉容器內(nèi)氧氣的含量隨反應的進行同步呈現(xiàn)在學生面前，效果更加直觀。同時避免了5等分劃分瓶身的不均一以及水倒吸入瓶中這一過程的種種弊端（如止水夾開啟過早、導管過長、壓差太大引起的慣性虹吸等等）。

（2）根據(jù)氧氣傳感器的工作原理，考慮到磷在燃燒時會放出大量的熱，同時生成的五氧化二磷吸水后生成的偏磷酸會對傳感器的響應造成較大的影響（通常表現(xiàn)為開始示數(shù)會快速下降然后回升到初始值，隨后才能進入正常的響應區(qū)間）。因此設(shè)計實驗裝置時在氧氣傳感器的下端安裝了一個用燃燒匙制作的保護罩，實驗前先用凡士林密封，待傳感器示數(shù)恢復到開始時（一般不用校準到21%，因為教室里的環(huán)境中氧氣的含量低于這個標準值）的數(shù)值（約19%左右），向下推開同時開始測量。這樣做既可以保護傳感器，又能最大限度地減少燃燒對傳感器工作的影響。

實驗過程：取適量紅磷、白磷在密閉容器中燃燒后，同步測定容器中的氧氣剩余含量。（結(jié)果見圖3、圖4）

實驗結(jié)果：上述兩圖清楚地表明，在此實驗條件下無論是紅磷還是白磷，都不能使容器內(nèi)的氧氣完全耗盡：多次實驗結(jié)果基本一致，即紅磷燃燒后氧氣的殘留量約為7%，白磷燃燒后氧氣的殘留量約為2-3%。

定性分析：（1）紅磷著火點是260℃，在一個密閉容器中，隨著紅磷燃燒的進行，氧氣的含量逐漸減少，反應逐漸變慢，放出的熱量也會逐漸減少，最終會使溫度降低到紅磷的著火點以下，所以不待氧氣完全消耗完，燃燒就可能停止下來。而白磷的著火點較低，只有約40℃，比紅磷更容易燃燒，需要燃燒來維持其燃點溫度的熱量也比紅磷小的多，所以燃燒的時間更長，消耗的氧氣比紅磷更多，自然殘留量更少。

（2）在實驗教學的過程中，實驗者往往會存在這樣的操作問題，即把燃燒的紅磷插入容器中時無意或故意不立即塞緊橡膠塞，使容器里的一部分空氣受熱膨脹而逸出，使容器的溫度在還沒有降到室溫時就產(chǎn)生了負壓，進入容器的水面高度就會達到甚至超過1/5，學生看到的其實是一個實驗成功的假象，但是卻失去了實驗本身所應具備的真實性和科學性。

理論計算：為了驗證實驗結(jié)果，我們還運用物理化學的相關(guān)知識進行了相關(guān)計算，過程如下：

查閱數(shù)據(jù)：兩種不同狀態(tài)磷的標準生成吉布斯自由能分別為：

（1）教材中使用紅磷在密閉容器中燃燒是無法消耗密閉容器中所有氧氣的，即使用白磷也無法完全消耗密閉容器中所有氧氣。但實驗效果比用紅磷更好。建議進行該實驗的演示教學時，在保證安全的前提下盡量使用白磷。

（2）教師應注重專業(yè)發(fā)展，即使是初中化學教師也要補補反應機理的業(yè)務知識，不能只停留僅僅完成演示實驗的層次上，要對實驗本身開展“高端備課”。在本節(jié)課的備課過程中，對實驗的誤差分析，教師就不僅要考慮實驗的操作層面，更應將反應是否完全這一重要因素考慮進去，將實驗的教育功能完整地展示出來。

（3）在課堂教學中，在完成教材中實驗的同時，可以增加數(shù)字化實驗的對比演示。使學生了解教材中的實驗方法還存在由于紅磷無法將容器中的氧氣完全耗盡而產(chǎn)生誤差的情形，還原實驗的科學性和真實性。這也是對學生進行實事求是的實驗態(tài)度教育的良好素材和重要契機。

[注：本實驗獲得全國第三屆“威尼爾”（Vernier）杯化學數(shù)字化實驗教學應用及創(chuàng)新設(shè)計大賽一等獎]

參考文獻

[1] 王祖浩，王磊.義務教育教科書.化學（上冊）[M]. 上海：上海教育出版社2013：13-14

[2] 張貞，楊承印.空氣中氧氣含量測定實驗原理探析[J].中學化學教學參考，2010，（11）

[3] 章永軍.利用傳感器分析空氣中氧氣含量定的誤差[J].化學教與學，2011，（7）endprint

摘要：測定空氣中氧氣的體積含量是九年級化學中一個重要實驗，采用教材中的實驗方法進行實驗時常出現(xiàn)負誤差，實驗效果不理想。使用氧氣傳感器，借助數(shù)字化實驗裝備再次探究。分析誤差產(chǎn)生的原因并嘗試尋找更好的實驗藥品及方法。

關(guān)鍵詞：紅磷；白磷；氧氣傳感器；數(shù)字化實驗

文章編號：1008-0546（2014）07-0090-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.07.034

義務教育教科書滬教版化學上冊[1]空氣中氧氣體積含量的測定是九年級化學教學中一個非常重要的實驗。教材中的實驗設(shè)計如圖1所示，實驗時，通過紅磷燃燒消耗氧氣，使集氣瓶中氣壓下降，外界氣壓將水壓入集氣瓶中，進入集氣瓶中的水的體積即為瓶中氧氣的體積，同時教材中也明確提出了要進行誤差分析。從理論上講，該實驗設(shè)計是完全可行的，但在實際操作中，實驗結(jié)果往往呈現(xiàn)負誤差。而教師引導學生僅從操作的層面進行討論，如瓶體積5等分不準確、紅磷用量太少、裝置漏氣、沒有迅速將紅磷伸入集氣瓶中等，不一而足。但是偏偏漏掉了反應是否完全這一重要的因素，上述假設(shè)都是建立在反應百分百完全的基礎(chǔ)上？反應的真實情況是這樣的嗎？通過查閱一些相關(guān)的文獻資料并分析，我們認為有些誤差的確是由于實驗時的人為原因造成的，可以通過提高實驗者的實驗操作能力來得到改善。但某些文獻資料[2-3]同時也指出，在這種條件下密閉容器中紅磷燃燒無法把氧氣完全耗盡。為了探究實驗的真實情況，我們借助數(shù)字化實驗，對教材中的實驗裝置進行改進，設(shè)計了圖2裝置進行實驗。

改進說明：

（1）為了便于與教材的實驗進行對比說明，對教材中的反應裝置沒有作大的改動，僅把測定氧氣含量的方法改為使用氧氣傳感器測定（將橡皮塞切開一個圓形口，正好塞入氧氣探頭），使密閉容器內(nèi)氧氣的含量隨反應的進行同步呈現(xiàn)在學生面前，效果更加直觀。同時避免了5等分劃分瓶身的不均一以及水倒吸入瓶中這一過程的種種弊端（如止水夾開啟過早、導管過長、壓差太大引起的慣性虹吸等等）。

（2）根據(jù)氧氣傳感器的工作原理，考慮到磷在燃燒時會放出大量的熱，同時生成的五氧化二磷吸水后生成的偏磷酸會對傳感器的響應造成較大的影響（通常表現(xiàn)為開始示數(shù)會快速下降然后回升到初始值，隨后才能進入正常的響應區(qū)間）。因此設(shè)計實驗裝置時在氧氣傳感器的下端安裝了一個用燃燒匙制作的保護罩，實驗前先用凡士林密封，待傳感器示數(shù)恢復到開始時（一般不用校準到21%，因為教室里的環(huán)境中氧氣的含量低于這個標準值）的數(shù)值（約19%左右），向下推開同時開始測量。這樣做既可以保護傳感器，又能最大限度地減少燃燒對傳感器工作的影響。

實驗過程：取適量紅磷、白磷在密閉容器中燃燒后，同步測定容器中的氧氣剩余含量。（結(jié)果見圖3、圖4）

實驗結(jié)果：上述兩圖清楚地表明，在此實驗條件下無論是紅磷還是白磷，都不能使容器內(nèi)的氧氣完全耗盡：多次實驗結(jié)果基本一致，即紅磷燃燒后氧氣的殘留量約為7%，白磷燃燒后氧氣的殘留量約為2-3%。

定性分析：（1）紅磷著火點是260℃，在一個密閉容器中，隨著紅磷燃燒的進行，氧氣的含量逐漸減少，反應逐漸變慢，放出的熱量也會逐漸減少，最終會使溫度降低到紅磷的著火點以下，所以不待氧氣完全消耗完，燃燒就可能停止下來。而白磷的著火點較低，只有約40℃，比紅磷更容易燃燒，需要燃燒來維持其燃點溫度的熱量也比紅磷小的多，所以燃燒的時間更長，消耗的氧氣比紅磷更多，自然殘留量更少。

（2）在實驗教學的過程中，實驗者往往會存在這樣的操作問題，即把燃燒的紅磷插入容器中時無意或故意不立即塞緊橡膠塞，使容器里的一部分空氣受熱膨脹而逸出，使容器的溫度在還沒有降到室溫時就產(chǎn)生了負壓，進入容器的水面高度就會達到甚至超過1/5，學生看到的其實是一個實驗成功的假象，但是卻失去了實驗本身所應具備的真實性和科學性。

理論計算：為了驗證實驗結(jié)果，我們還運用物理化學的相關(guān)知識進行了相關(guān)計算，過程如下：

查閱數(shù)據(jù)：兩種不同狀態(tài)磷的標準生成吉布斯自由能分別為：

（1）教材中使用紅磷在密閉容器中燃燒是無法消耗密閉容器中所有氧氣的，即使用白磷也無法完全消耗密閉容器中所有氧氣。但實驗效果比用紅磷更好。建議進行該實驗的演示教學時，在保證安全的前提下盡量使用白磷。

（2）教師應注重專業(yè)發(fā)展，即使是初中化學教師也要補補反應機理的業(yè)務知識，不能只停留僅僅完成演示實驗的層次上，要對實驗本身開展“高端備課”。在本節(jié)課的備課過程中，對實驗的誤差分析，教師就不僅要考慮實驗的操作層面，更應將反應是否完全這一重要因素考慮進去，將實驗的教育功能完整地展示出來。

（3）在課堂教學中，在完成教材中實驗的同時，可以增加數(shù)字化實驗的對比演示。使學生了解教材中的實驗方法還存在由于紅磷無法將容器中的氧氣完全耗盡而產(chǎn)生誤差的情形，還原實驗的科學性和真實性。這也是對學生進行實事求是的實驗態(tài)度教育的良好素材和重要契機。

[注：本實驗獲得全國第三屆“威尼爾”（Vernier）杯化學數(shù)字化實驗教學應用及創(chuàng)新設(shè)計大賽一等獎]

參考文獻

[1] 王祖浩，王磊.義務教育教科書.化學（上冊）[M]. 上海：上海教育出版社2013：13-14

[2] 張貞，楊承印.空氣中氧氣含量測定實驗原理探析[J].中學化學教學參考，2010，（11）

[3] 章永軍.利用傳感器分析空氣中氧氣含量定的誤差[J].化學教與學，2011，（7）endprint

摘要：測定空氣中氧氣的體積含量是九年級化學中一個重要實驗，采用教材中的實驗方法進行實驗時常出現(xiàn)負誤差，實驗效果不理想。使用氧氣傳感器，借助數(shù)字化實驗裝備再次探究。分析誤差產(chǎn)生的原因并嘗試尋找更好的實驗藥品及方法。

關(guān)鍵詞：紅磷；白磷；氧氣傳感器；數(shù)字化實驗

文章編號：1008-0546（2014）07-0090-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.07.034

義務教育教科書滬教版化學上冊[1]空氣中氧氣體積含量的測定是九年級化學教學中一個非常重要的實驗。教材中的實驗設(shè)計如圖1所示，實驗時，通過紅磷燃燒消耗氧氣，使集氣瓶中氣壓下降，外界氣壓將水壓入集氣瓶中，進入集氣瓶中的水的體積即為瓶中氧氣的體積，同時教材中也明確提出了要進行誤差分析。從理論上講，該實驗設(shè)計是完全可行的，但在實際操作中，實驗結(jié)果往往呈現(xiàn)負誤差。而教師引導學生僅從操作的層面進行討論，如瓶體積5等分不準確、紅磷用量太少、裝置漏氣、沒有迅速將紅磷伸入集氣瓶中等，不一而足。但是偏偏漏掉了反應是否完全這一重要的因素，上述假設(shè)都是建立在反應百分百完全的基礎(chǔ)上？反應的真實情況是這樣的嗎？通過查閱一些相關(guān)的文獻資料并分析，我們認為有些誤差的確是由于實驗時的人為原因造成的，可以通過提高實驗者的實驗操作能力來得到改善。但某些文獻資料[2-3]同時也指出，在這種條件下密閉容器中紅磷燃燒無法把氧氣完全耗盡。為了探究實驗的真實情況，我們借助數(shù)字化實驗，對教材中的實驗裝置進行改進，設(shè)計了圖2裝置進行實驗。

改進說明：

（1）為了便于與教材的實驗進行對比說明，對教材中的反應裝置沒有作大的改動，僅把測定氧氣含量的方法改為使用氧氣傳感器測定（將橡皮塞切開一個圓形口，正好塞入氧氣探頭），使密閉容器內(nèi)氧氣的含量隨反應的進行同步呈現(xiàn)在學生面前，效果更加直觀。同時避免了5等分劃分瓶身的不均一以及水倒吸入瓶中這一過程的種種弊端（如止水夾開啟過早、導管過長、壓差太大引起的慣性虹吸等等）。

（2）根據(jù)氧氣傳感器的工作原理，考慮到磷在燃燒時會放出大量的熱，同時生成的五氧化二磷吸水后生成的偏磷酸會對傳感器的響應造成較大的影響（通常表現(xiàn)為開始示數(shù)會快速下降然后回升到初始值，隨后才能進入正常的響應區(qū)間）。因此設(shè)計實驗裝置時在氧氣傳感器的下端安裝了一個用燃燒匙制作的保護罩，實驗前先用凡士林密封，待傳感器示數(shù)恢復到開始時（一般不用校準到21%，因為教室里的環(huán)境中氧氣的含量低于這個標準值）的數(shù)值（約19%左右），向下推開同時開始測量。這樣做既可以保護傳感器，又能最大限度地減少燃燒對傳感器工作的影響。

實驗過程：取適量紅磷、白磷在密閉容器中燃燒后，同步測定容器中的氧氣剩余含量。（結(jié)果見圖3、圖4）

實驗結(jié)果：上述兩圖清楚地表明，在此實驗條件下無論是紅磷還是白磷，都不能使容器內(nèi)的氧氣完全耗盡：多次實驗結(jié)果基本一致，即紅磷燃燒后氧氣的殘留量約為7%，白磷燃燒后氧氣的殘留量約為2-3%。

定性分析：（1）紅磷著火點是260℃，在一個密閉容器中，隨著紅磷燃燒的進行，氧氣的含量逐漸減少，反應逐漸變慢，放出的熱量也會逐漸減少，最終會使溫度降低到紅磷的著火點以下，所以不待氧氣完全消耗完，燃燒就可能停止下來。而白磷的著火點較低，只有約40℃，比紅磷更容易燃燒，需要燃燒來維持其燃點溫度的熱量也比紅磷小的多，所以燃燒的時間更長，消耗的氧氣比紅磷更多，自然殘留量更少。

（2）在實驗教學的過程中，實驗者往往會存在這樣的操作問題，即把燃燒的紅磷插入容器中時無意或故意不立即塞緊橡膠塞，使容器里的一部分空氣受熱膨脹而逸出，使容器的溫度在還沒有降到室溫時就產(chǎn)生了負壓，進入容器的水面高度就會達到甚至超過1/5，學生看到的其實是一個實驗成功的假象，但是卻失去了實驗本身所應具備的真實性和科學性。

理論計算：為了驗證實驗結(jié)果，我們還運用物理化學的相關(guān)知識進行了相關(guān)計算，過程如下：

查閱數(shù)據(jù)：兩種不同狀態(tài)磷的標準生成吉布斯自由能分別為：

（1）教材中使用紅磷在密閉容器中燃燒是無法消耗密閉容器中所有氧氣的，即使用白磷也無法完全消耗密閉容器中所有氧氣。但實驗效果比用紅磷更好。建議進行該實驗的演示教學時，在保證安全的前提下盡量使用白磷。

（2）教師應注重專業(yè)發(fā)展，即使是初中化學教師也要補補反應機理的業(yè)務知識，不能只停留僅僅完成演示實驗的層次上，要對實驗本身開展“高端備課”。在本節(jié)課的備課過程中，對實驗的誤差分析，教師就不僅要考慮實驗的操作層面，更應將反應是否完全這一重要因素考慮進去，將實驗的教育功能完整地展示出來。

（3）在課堂教學中，在完成教材中實驗的同時，可以增加數(shù)字化實驗的對比演示。使學生了解教材中的實驗方法還存在由于紅磷無法將容器中的氧氣完全耗盡而產(chǎn)生誤差的情形，還原實驗的科學性和真實性。這也是對學生進行實事求是的實驗態(tài)度教育的良好素材和重要契機。

[注：本實驗獲得全國第三屆“威尼爾”（Vernier）杯化學數(shù)字化實驗教學應用及創(chuàng)新設(shè)計大賽一等獎]

參考文獻

[1] 王祖浩，王磊.義務教育教科書.化學（上冊）[M]. 上海：上海教育出版社2013：13-14

[2] 張貞，楊承印.空氣中氧氣含量測定實驗原理探析[J].中學化學教學參考，2010，（11）

[3] 章永軍.利用傳感器分析空氣中氧氣含量定的誤差[J].化學教與學，2011，（7）endprint