對燃碳法“測定空氣中氧氣的體積分數(shù)”實驗的質(zhì)疑與探究

周梅華+李德前

摘要：依據(jù)燃燒反應(yīng)相關(guān)知識，對比分析了燃碳法測定空氣中氧氣體積分數(shù)的可行性；并借助數(shù)字傳感器技術(shù)，探究了燃碳法實驗的可行性；實驗結(jié)果表明，燃碳法沒有燃磷法消耗氧氣徹底，并且生成無法吸收的一氧化碳氣體。本研究為科學(xué)測定空氣中氧氣體積分數(shù)的實驗提供了理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)，有助于培養(yǎng)學(xué)生尊重事實的科學(xué)態(tài)度。

關(guān)鍵詞：燃碳法；氧氣體積分數(shù)測定；燃磷法；氣體傳感器

文章編號：1005–6629（2015）2–0048–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

從1956年以來，我國的初中化學(xué)教科書中大多采用燃磷法測定空氣中氧氣的體積分數(shù)[1]。該實驗的化學(xué)原理是通過磷燃燒消耗密閉容器內(nèi)的氧氣，生成五氧化二磷固體，物理原理是“消耗的氧氣”與“替換氧氣的流體”發(fā)生等體積交換。

筆者發(fā)現(xiàn)，在某些有關(guān)“燃燒法測定空氣中氧氣體積分數(shù)”的改進實驗中，出于實驗的綠色化及實驗的綜合性考慮，中考化學(xué)試題[2]以及有的教師設(shè)計的實驗改進方案[3～5]，涉及使用木炭、蠟燭或棉花等含碳物質(zhì)代替磷（同時利用氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳）。筆者借助有關(guān)的化學(xué)理論及燃燒學(xué)基礎(chǔ)知識，利用數(shù)字傳感器，對燃碳法測定空氣中氧氣體積分數(shù)的改進實驗進行研究，發(fā)現(xiàn)此改進方案不僅存在科學(xué)性問題（違背了原實驗的物理原理），而且人為地增大了實驗的誤差。

1 理論探討

利用有關(guān)的化學(xué)理論及燃燒學(xué)基礎(chǔ)知識，筆者對含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒消耗氧氣、生成二氧化碳和一氧化碳等情況進行理論分析。

1.1 對含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒消耗氧氣的問題分析

利用燃燒法測定空氣中氧氣的體積分數(shù)時，集氣瓶里殘留的氧氣越少，實驗結(jié)果越接近環(huán)境值（約21%）。但事實卻是任何可燃物在有限的空間里燃燒，當(dāng)氧氣濃度降低到一定的程度時，燃燒都會自行停止。

筆者從《物質(zhì)燃燒和性質(zhì)》、《消防安全技術(shù)》等專業(yè)書籍中，查到了一些可燃物燃燒需要的最低氧含量[6]（見表1）。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以看出，蠟燭、木炭、棉花在密閉的容器內(nèi)燃燒停止后，殘留氧氣的體積分數(shù)分別高達14.0%、16.0%、8.0%。而白磷在密閉容器內(nèi)燃燒停止后，殘留氧氣的體積分數(shù)僅為5.9%（耗氧更為徹底），這應(yīng)該是許多教科書中選用燃磷法測定空氣中氧氣體積分數(shù)的主要原因。

1.2 對含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒生成二氧化碳、一氧化碳的問題分析

在利用燃燒法測定空氣中氧氣體積分數(shù)的實驗中，燃燒的產(chǎn)物最好是固體，因為少量固體所占的體積近乎為零，這樣實驗結(jié)果就比較準確。如果燃燒的產(chǎn)物是氣體，該氣體必須容易被吸收，這樣實驗的誤差才小。

含碳的物質(zhì)在氧氣充足的實驗體系中燃燒時，主要生成二氧化碳氣體；若是在密閉的集氣瓶中燃燒，氧氣濃度會不斷變小，這就會生成一氧化碳氣體。

像足量的木炭在密閉的集氣瓶里燃燒時，當(dāng)

毋庸置疑，二氧化碳氣體容易被氫氧化鈉溶液吸收，而一氧化碳氣體在通常條件下無法被氫氧化鈉溶液吸收。

2 實驗探究

借助于數(shù)字傳感器，筆者對含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒消耗氧氣、生成二氧化碳氣體和一氧化碳氣體等情況進行了實驗探究。

2.1 對含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒消耗氧氣的問題探究

2.1.1 實驗用品

主要是：木炭，蠟燭；500mL集氣瓶，配套的單孔橡皮塞，燃燒匙，氧氣濃度傳感器（量程為0～100%），TriE數(shù)據(jù)采集與分析軟件（傳感器及TriE軟件均由江蘇蘇威爾科技有限公司生產(chǎn)，下同）。

2.1.2 實驗操作

（1）取一個500mL集氣瓶（瓶口加橡皮塞后的實際容積約為600mL），然后在與集氣瓶配套的橡皮塞中插入一個燃燒匙。

（2）取足量的木炭放入燃燒匙中，在集氣瓶外引燃木炭后快速伸入集氣瓶內(nèi)（見圖1），注意及時塞緊橡皮塞。

（3）燃燒結(jié)束，等到集氣瓶冷卻到室溫后，將集氣瓶反復(fù)顛倒幾次，以確保瓶內(nèi)各種氣體混合均勻。

（4）校準氧氣濃度傳感器，拔掉集氣瓶口上的橡皮塞，點擊傳感器“開始”按鈕后，立即把傳感器的探頭伸入集氣瓶中部（注意集氣瓶口盡量封閉）；在傳感器示數(shù)穩(wěn)定后，點擊傳感器“停止”按鈕。此時，數(shù)據(jù)處理軟件能將氣體濃度的變化通過計算機真實地顯示出來。

說明：在開啟集氣瓶塞的一瞬間，瓶內(nèi)的混合氣體會有少許逸出（因為氧氣轉(zhuǎn)化為一氧化碳氣體后體積會增加）；但是，由于我們所要測量的是混合氣體中某種氣體的體積分數(shù)，因此少許混合氣體的逸出不影響我們需要的測量結(jié)果。

（5）將木炭換成蠟燭，重復(fù)上面的實驗。

2.1.3 測量結(jié)果

蠟燭燃燒停止后，集氣瓶里殘留氧氣的體積分數(shù)約是16.7%（圖2曲線A）；木炭燃燒停止后，集氣瓶里殘留氧氣的體積分數(shù)約是14.2%（圖2曲線B），這與表1中的理論值基本一致。

若使用燃磷法，集氣瓶里氧氣的殘留量約為5.0%[8]——這是蘇州工業(yè)園區(qū)的章永軍老師利用數(shù)字傳感器在2011年測量出來的，該數(shù)據(jù)與表1中的理論值也是一致的。

2.2 對含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒生成二氧化碳、一氧化碳的問題探究

2.2.1 實驗用品

主要是：木炭，蠟燭；500mL集氣瓶，配套的單孔橡皮塞，燃燒匙，二氧化碳濃度傳感器（量程是0～100000ppm），一氧化碳濃度傳感器（量程是0～500ppm），TriE數(shù)據(jù)采集與分析軟件。

2.2.2 實驗操作

（1）仍使用圖1實驗裝置，把氧氣濃度傳感器分別更換為二氧化碳濃度傳感器、一氧化碳濃度傳感器，測量蠟燭在密閉的集氣瓶里燃燒停止后，生成的二氧化碳氣體和一氧化碳氣體的體積分數(shù)（操作流程同2.1.2）。

（2）將蠟燭換成木炭，再重復(fù)上面的實驗。

2.2.3 測量結(jié)果

蠟燭在密閉的集氣瓶里燃燒停止后，集氣瓶里二氧化碳氣體的體積分數(shù)約是3.88%（圖3曲線B），一氧化碳氣體的體積分數(shù)約是100ppm（圖4曲線B）。

3 研究結(jié)論

不管是理論探討，還是實驗探究，本研究的結(jié)論具有高度的一致性。

3.1 含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒消耗氧氣很不徹底

在密閉的集氣瓶中含碳物質(zhì)燃燒消耗氧氣很不徹底（剩余氧氣的體積分數(shù)高達15%左右），遠沒有磷燃燒耗氧徹底（剩余氧氣的體積分數(shù)在5%左右）。

同時，上述研究也表明“集氣瓶里殘留氧氣”是燃燒法測定空氣中氧氣體積分數(shù)實驗無法消除的誤差（但這個無法消除的誤差是合理的）。

3.2 含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒產(chǎn)生了難以吸收的一氧化碳氣體

含碳物質(zhì)在密閉的集氣瓶內(nèi)燃燒不僅生成二氧化碳氣體，還產(chǎn)生一些一氧化碳氣體（其體積分數(shù)在2%左右）；由于一氧化碳氣體在通常條件下無法被吸收，因此使用燃碳法測定空氣中氧氣的體積分數(shù)，不僅人為地增加了實驗誤差，尤其存在科學(xué)性問題——“消耗的氧氣”與“替換氧氣的流體”不能等體積交換。

但為什么不少的燃碳法實驗還測出氧氣體積分數(shù)是20%呢？這是因為“集氣瓶口的密封明顯滯后于含碳物質(zhì)在集氣瓶里的燃燒，造成了氣體外逸”；“氣體逸出集氣瓶”屬于本實驗的正誤差，“集氣瓶里殘留氧氣、產(chǎn)生無法吸收的一氧化碳氣體”屬于本實驗的負誤差，正負誤差的抵消，使部分實驗者獲得了貌似正常的實驗結(jié)果。

4 有關(guān)建議

使用燃磷法測定空氣中氧氣體積分數(shù)，不僅實驗原理符合科學(xué)性，而且耗氧較徹底，但傳統(tǒng)的操作方法會造成一定的污染（這個問題在一定程度上是可以改進的[9]）。使用燃碳法測定空氣中氧氣體積分數(shù)，既耗氧不徹底，又產(chǎn)生了難以吸收的一氧化碳氣體，所以，不能使用燃碳法測定空氣中氧氣的體積分數(shù)。若要改進“燃燒法測定空氣中氧氣體積分數(shù)”的實驗，只能在實驗裝置、操作方法和實驗手段上進行創(chuàng)新（如集氣瓶密閉后再引燃磷、改用注射器進行實驗等），但耗氧物仍應(yīng)使用白磷或紅磷。另外，在涉及“燃燒法測定空氣中氧氣體積分數(shù)”的實驗論文、實驗試題時，實驗結(jié)果務(wù)必尊重事實——不管使用哪種可燃物、操作如何規(guī)范，都不可能得出與環(huán)境值一致的實驗結(jié)果。

參考文獻：

[1]朱華美，劉懷樂.空氣里氧氣含量的測定實驗值得改進[J].教學(xué)儀器與實驗，2005，（7）：25.

[2]李德前，陳立銘.對近年來中考化學(xué)命題中一些科學(xué)性問題的商榷[J].基礎(chǔ)教育課程，2014，（4下）：57～61.

[3]農(nóng)恒東.測定空氣中氧氣含量的兩個常規(guī)實驗和幾個改進實驗[J].中學(xué)教學(xué)參考（中旬），2010，（2）：119～120.

[4]蘇陽.測氧氣體積分數(shù)實驗的疑問[J].農(nóng)村青少年科學(xué)探究，2008，（9）：18.

[5]孟獻華，李廣洲.基于析因?qū)嶒灧椒ǖ奶骄炕顒釉O(shè)計與實踐[J].化學(xué)教學(xué)，2004，（11）：23～25.

[6]鄭端文，劉振東.消防安全技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：22.

[7]許小忠，陳和祥.測定空氣中氧氣含量的實驗探究與反思[J].化學(xué)教育，2008，（4）：12～14.

[8]章永軍.利用傳感器分析空氣中氧氣含量測定的誤差[J].化學(xué)教與學(xué)，2011，（7）：91，93.

[9]李德前.“測定空氣中氧氣體積分數(shù)”實驗新裝置[J].化學(xué)教學(xué)，2011，（7）：49～50.