“測定空氣中氧氣的含量”實驗的改進和反思

張潔+宋守娟

摘要：基于現行魯教版九年級化學課本中“測定空氣中氧氣的含量”實驗，對藥品要求較高，實驗條件較難控制，實驗成功率低的問題，通過限定藥品用量、更換藥品、改進裝置、興趣實驗開發的方法探索，改進了實驗，提高了實驗效率，并能啟發學生敢于質疑，培養實驗動手能力及探究精神。

關鍵詞：空氣中氧氣含量測定；實驗改進；初中化學實驗

文章編號：1005–6629（2015）4–0050–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

現行魯教版九年級化學課本中“測定空氣中氧氣的含量”實驗，用圖1裝置和銅粉來進行實驗。實驗趣味性強，以此為載體引導學生設計和實施實驗，進行誤差分析，能有效訓練學生的發散性思維能力，提高學生學習化學的興趣。

可是在實驗時，我們發現存在如下問題：

（1）實驗室里久置的銅粉不是呈亮紫紅色，而是呈褐色。

（2）用新制的銅粉做實驗，發現加熱時玻璃管里的銅粉表面生成一層黑色固體，停止加熱，黑色固體又慢慢變成磚紅色，且結成硬塊粘附在玻璃管內壁上。

（3）實驗所用時間長，完成一次實驗約需15分鐘。

（4）經過20多次實驗，實驗相對誤差平均值大于25%，有的實驗甚至不能成功。

基于上述幾方面的問題，以期尋找更好的實驗方法，獲得更好的實驗效果，我們進行如下的探索和改進。

1 通過限定藥品用量化解弊端

1.1 探索與分析

查閱資料得知，銅粉質軟，研磨加工困難，在潮濕空氣中容易氧化變質成氧化銅，需要采用氮氣保護、真空包裝。我校實驗室里的銅粉屬于超細銅粉，因無法采用氮氣保護或真空保存，久置后部分銅粉變質生成氧化銅，所以顏色呈褐色。

紅色的含銅元素的固體物質有銅和氧化亞銅。向少量加熱新制銅粉所得的磚紅色固體中加入稀鹽酸，發現有少量氣泡放出，溶液變為淺黃色，有少許白色沉淀生成，試管底部有紅色固體沉積。通常情況下銅不與稀鹽酸反應，我們猜想紅色固體中可能含有氧化亞銅。氧化亞銅與稀鹽酸發生歧化反應，生成銅和氯化銅。用氫氣還原磚紅色固體，得到亮紫紅色固體，也證明磚紅色固體中含有氧化亞銅。

1.2 改進方法

經過分析和反思，根據密閉容器內氧氣的體積計算所需銅粉的質量，實驗時讓銅粉稍過量（裝置中封閉空氣65mL，理論上需銅粉0.074g，實際實驗時在玻璃管中放入銅粉0.2g）。加熱銅粉，在加熱過程中，不斷緩慢推拉注射器的活塞，讓銅粉與氧氣充分反應。停止加熱后，將注射器內的氣體全部推出，讓氣體先儲存到氣球里，待裝置冷卻至室溫時，再將氣球里的氣體緩慢全部擠出，使注射器的活塞后退，直到活塞穩定。如果使用的玻璃管和注射器容積較大，密閉容器內封閉空氣較多，需銅粉質量較大時，應將銅粉薄薄地平鋪在玻璃管中，以免銅粉堆積使熱量聚集導致氧化銅分解，也避免反應不充分造成浪費。

1.3 改進效果

限制銅粉用量之后，生成的黑色固體沒有再變成磚紅色，經過10次實驗測得相對誤差平均值為17%，實驗誤差有所減小。但玻璃管與氣球連接口容易漏氣；對氣球的要求也比較高，用彈性好張力大、厚薄適當的氣球較好，如5cm長的圓形橡膠玩具氣球；將氣球里的氣體往玻璃管中擠時需十分仔細；作為學生探究實驗，實驗誤差仍然較大，且耗時長（約需10分鐘）。

2 通過更換藥品使實驗現象更明顯

2.1 實驗探究

紅磷在氧氣中容易燃燒，反應充分，生成白煙，易散熱，我們用紅磷代替銅粉進行實驗。根據氧氣的體積計算所需紅磷的質量（理論上需要0.0144g），實際實驗時每次用0.3g。進行4組對比實驗，測得氧氣體積分數數據如下：

2.2 注意事項

用紅磷替換銅粉進行實驗，因為紅磷易燃，作為學生探究實驗有一定的危險性。需在教師的指導下進行，同時注意以下幾點：

（1）認真檢查裝置氣密性；

（2）準確測量玻璃管的體積，準確讀出玻璃管和注射器內封閉空氣的總體積；

（3）實驗中不斷緩慢推動注射器的活塞，不斷輕輕擠壓氣球，使氧氣充分參與反應；

（4）讀數前，氣球里的氣體需全部擠壓到玻璃管中，待裝置冷卻到室溫再讀數；

（5）由于紅磷燃燒產生白煙放熱，需硬質玻璃管；氣球應選擇彈性好張力大的，如大3號圓形橡膠玩具氣球；

（6）紅磷用量需根據氧氣質量計算得出，不要過量太多，以免造成污染與浪費。紅磷易燃，使用時一定注意不要撒到外面，用剩的紅磷要統一回收。

2.3 改進效果

將銅粉換成紅磷進行實驗和現行教材的用銅粉實驗相比較，實驗誤差小（4次實驗相對誤差平均值約為8.1%）；且只需稍稍加熱玻璃管，紅磷即可燃燒，生成白煙，反應迅速且充分，現象明顯，容易操作；白煙分散附著于玻璃管內壁迅速散熱，實驗時間縮短（每次實驗約需6分鐘），實驗的成功率比較高，教學中更有說服力和可行性。

3 通過改變裝置提高實驗成功率

為了避免氣球易爆易漏氣且不易將其中氣體全部擠出的缺點，我們從學生的創新實驗中尋找靈感，改用下圖裝置進行實驗。

3.1 改進方法

在一支50mL的試管中裝入約0.2g的新制銅粉，平鋪均勻，用橡皮塞將試管密封（塞約占試管容積1/50），在橡皮塞上插兩支注射器，注射器中密封約16mL空氣，試管與注射器中共有65mL空氣。將試管固定在鐵架臺上，并用酒精燈加熱試管，同時緩慢交替推動注射器的活塞，直到銅粉顏色不再變化。停止加熱，用吹風機使試管迅速冷卻至室溫，讀數，注射器中剩余氣體約3mL，從而得出結論，氧氣約占空氣體積的1/5。

3.2 注意事項

（1）檢查圖2裝置的氣密性，在試管和注射器內共預留空氣65mL。

（2）預先根據氧氣體積計算與其恰好完全反應時所需銅粉質量約為0.074g。為使氧氣全部參加反應，在試管中平鋪約0.2g新制的銅粉。

（3）給銅粉加熱，并且不斷緩慢地推動注射器的活塞（玻璃注射器效果更好），直到固體全部變成黑色，停止加熱。

（4）待裝置冷卻到室溫時讀數。

（5）進行數據分析，注射器內減少的空氣體積約為13mL，是空氣體積（65mL）的1/5。

3.3 改進效果

該裝置用另一支注射器代替氣球，氣密性好，交替推動注射器活塞容易進行氣體交換，避免了氣球擠壓時易爆、易失去彈性的缺點，且注射器可以多次使用，不易損壞。本實驗操作簡單，實驗現象明顯，實驗時間短（4分鐘），實驗誤差小，實驗成功率高，實驗效果更好。

4 通過增加趣味性激發實驗興趣

在實際課堂教學中，為增加教學的趣味性，還可以從老師同學設計的趣味實驗中尋找靈感，啟發學生做一些趣味實驗來測定氧氣的體積分數。

4.1 實驗方法

用圖3裝置和熱帖（暖寶寶）中的藥品進行實驗，以期對學生有所啟發。在注射器中封閉約2mL熱帖中的固體，預留15mL空氣，把注射器前端開口用橡皮塞塞住，不斷輕輕晃動注射器，固體與注射器內的氧氣充分反應，大約5分鐘后，注射器內的氣體減少約3mL，說明氧氣約占空氣體積的1/5。

4.2 實驗效果

本實驗取材于生活中的用品，在實驗中仔細觀察，可以明顯看到注射器的活塞向下移動，氣體體積逐漸減少，實驗趣味性強。經10次實驗，相對誤差平均值小于5%，實驗過程簡單，易于操作，實驗現象明顯，便于學生在家自主完成實驗。

綜上所述，我們撰寫本文的目的，就是要告訴學生解決一個問題可以有多種思路，一種思路又可以有多種方法。同時啟發學生自主設計、進行實驗，在不斷的設計、實驗、反思中完善方法，形成理念，進而培養學生的創新意識和探究精神。

參考文獻：

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