空氣里氧氣含量測定實驗的新設計

姚秋玲+王鋒

摘要：基于初中化學教材中空氣里氧氣含量測定實驗的精確性、操作性及環境影響等方面的不足，利用量氣管原理、激光筆快速點火等方法設計了新的實驗裝置及操作方法。實踐表明，新設計的實驗具有裝置簡單、操作簡便、測量準確、細節鮮明、效率高、效果好等優點。

關鍵詞：空氣里氧氣含量測定；實驗裝置改進；實驗探究

文章編號：1005–6629（2017）3–0072–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

空氣是人類最重要的生存資源之一，也是學生最熟悉的身邊的化學物質之一。初中化學是化學教育的啟蒙階段，教材選用空氣作為學生在初中化學重點研究的第一種物質。學生通過小學《科學》及生活經驗中已了解其相關內容，但空氣看不見，摸不著，因此學生對空氣的認識只停留在粗淺的感性認識層面。化學教材借助實驗手段，讓學生的認識更深入。空氣里氧氣含量測定的實驗，讓學生進一步感受空氣的存在，更深入認識空氣的組成，并在這一基礎上進一步建構純凈物和混合物的概念[1]。此外，學生在這一化學實驗中，初步學習了進行觀察、記錄等實驗技能；初步學習了分析實驗現象獲得結論的方法；初步感受了定量測定的科學實驗方法。作為較復雜的定量演示，實驗過程中還產生五氧化二磷等污染物，因此，實驗的精確性、演示的簡潔性以及實驗的綠色化等方面便成為這一實驗改進的重點內容。本實驗將從以上幾個方面對本實驗的改進進行相關探討。

1 教材的經典實驗設計

1.1 教材的實驗裝置及原理

大部分教材使用的裝置如圖1所示，利用稍過量的紅磷在密閉容器內燃燒，幾乎消耗全部的氧氣，使集氣瓶內氣體減少，當溫度冷卻至室溫時，集氣瓶中的氣體壓強減小；打開止水夾，觀察到水倒流到集氣瓶中，集氣瓶中液面上升至約占瓶內空氣體積的1/5。可以得出結論：空氣的組成不是單一的，氧氣約占空氣體積的1/5 [2]。

1.2 教材實驗的不足

紅磷的著火點為240℃，如果在集氣瓶外用酒精燈進行點燃，生成物五氧化二磷白煙會大量逸散到空氣中，這樣造成環境污染；裝置無法始終完全密閉，引起測量的系統誤差；紅磷燃燒過程中放熱，會使瓶內氣體受熱膨脹，有可能使塞子彈出，造成實驗的偶然誤差；導管中的容積，實驗過程中通常只能忽略不計，這也會引起測量誤差。

2 其他設計與改進評述

針對教材的不足，許多化學教師進行了改進，例如圖2、圖3[3]、圖4[4]。這些改進雖然滿足了裝置始終密閉的要求，但仍然存在不足。

在裝置上：圖2和圖3反應結束后玻璃管內液面上升，高低液面產生壓強差，由于裝置本身的問題而無法去緩解調整，使實驗測量不準確。圖4的裝置比較復雜，所選器材需要進行再加工才能使用，操作時需要來回推動注射器以使反應充分進行，組裝和操作上都有困難，氣體體積還需要進一步計算，現象不夠直觀，更使本實驗的難度提高了許多。

加熱方式上：圖2采用電熱絲通電加熱的方式，對電池功率要求較高，裝置顯得復雜。圖3采用酒精燈加熱鋁絲的方式，使加熱速度慢，成功率低。

藥品改進上：圖4采用銅絲作用來消耗氧氣，反應需要約4min，耗時比白磷長了許多；有些學者采用食品脫氧劑，主要成分為活性鐵粉[5]，反應速率慢，需要時間更長，約30min，不適合用于課堂上演示實驗。

3 新設計的實驗

3.1 改進實驗裝置

實驗裝置如圖5（簡單示意圖）、圖6（實物圖）所示，使用器材有：玻璃管、燃燒匙、50mL酸式滴定管、高功率激光筆、橡膠導管、鐵架臺等。

本套裝置所用器材都是中學化學所涉及的普通儀器，取用方便，且不需要進行再改裝。裝置看起來簡潔大方，用橡膠導管連接玻璃管與滴定管。學生利用已有物理知識，能馬上明白教師的意圖。用高功率激光筆引燃白磷，達到裝置始終密閉的要求。酸式滴定管的使用，隨反應進行液面高度可作不斷調整，這些都使本次實驗的準確性和精確性大大提高。其思路來自于把原裝置進行“逆向”設計，把原裝置進行倒置，讓橡膠導管成為U形連通裝置，這樣可以排除導管中容積造成的誤差。同時也因為整套裝置作為連通裝置，方便了測量實驗過程中各種容積。

3.2 改進實驗步驟及數據處理

實驗步驟：

（1）如圖7所示，檢查裝置氣密性后，將稍過量的白磷放入燃燒匙，塞緊上端橡膠塞，調整玻璃管與酸式滴定管內液面于同一水平線，讀取酸式滴定管內視數V0。

（2）如圖8所示，用高功率激光筆點燃白磷，觀察玻璃管內有大量白煙生成，液面先下降后再上升，待冷卻至室溫，調整玻璃管與酸式滴定管內液面于同一水平線，讀取酸式滴定管內視數V1。

（3）如圖9所示，待生成的五氧化二磷白煙被水充分吸收，白煙幾乎消散，打開上端橡膠塞，將玻璃管位置下移，酸式滴定管上移，至玻璃管中充滿水，立即再塞緊上端橡膠塞，調整酸式滴定管高度至與玻璃管內液面于同一水平線，讀取酸式滴定管內視數V2。

由表1中數據可知，利用本實驗測得空氣中氧氣的體積分數平均值為20.70%，約等于21%，與空氣中氧氣含量更為接近。

3.3 本實驗創新的優點

3.3.1 用激光筆點燃白磷

如果激光筆點火操作熟練，室溫下5s內白磷可燃燒；這一點火方法新奇，可以較好地引起學生興趣。實驗過程中，這種點火方式可保證裝置始終密閉，生成物五氧化二磷白煙不會逸散到空氣中造成污染；也使測量過程中盡量避免產生誤差，提升了實驗的準確性。另外，激光筆的使用以及消除實驗過程中兩液面高低差與兩端氣體壓強差等內容使實驗具有了理科綜合實驗的性質，這一創新拓展了學生的視野，激發了學習興趣，培養了學生理科綜合實驗能力[6]。

3.3.2 實驗精確定量

將量氣管原理遷移應用到本實驗中，起到多方面作用。當可燃物燃燒時，容器內壓強瞬間壓強增大，連通器起到緩沖作用，防止因壓強過大氣體沖開塞子，導致誤差；通過調整玻璃管與酸式滴定管的高度來緩解實驗結束后高低液面的壓強差，也避免了教材實驗中導管中體積產生的誤差，也可以使實驗測量更準確。

讀取V2時能通過多次讀取來確定什么時候已完全冷卻至室溫，使測量更準確。

酸式滴定管可讀取視數至小數點后兩位，提升了實驗的精確性。

上述關于改進精確定量的方法讓學生充分感受到科學實驗的嚴密性，從而培養嚴謹求實的科學精神[7]。

3.3.3 實驗效率高

白磷燃燒消耗氧氣后，液面上升，水沒過了燃燒匙，使整個容器內的溫度迅速下降，大大縮短等待時間。通過一體化的設計，也減少了許多操作，提高了整體實驗的效率。

3.3.4 實驗細節鮮明

白磷點燃后整個實驗過程中，先觀察到白磷的燃燒及產生的白煙，然后能看到玻璃管內原有的液面先下降再上升的過程，感受氣體熱脹冷縮的過程。再后來，還能觀察到白煙被水慢慢吸收，漸漸消散，體現了水的作用。

3.3.5 實驗裝置簡單

本實驗裝置取材容易，所用大部分器材在化學實驗室都可配備，且不需要進行復雜的再加工。裝置一旦制成以后可以長期保存，反復使用。對于教師來說，實驗準備過程較為簡便，操作可行性高。所用高功率激光筆電池可充電，可重復使用，使用過程中也不會生成其他物質，減少實驗的耗材。

3.3.6 實驗操作簡便

每次實驗的V0不需要完全一致，所以初始液面的調整很容易。反應結束后，儀器的清洗也簡單，只需要讓液體從玻璃管流出即可。總之裝置簡單，操作容易，現象明顯，不污染空氣，非常適合課堂演示，也可作為學生分組實驗。

參考文獻：

[1]王鋒.化學教學中基于多維視角促進學生認識發展[J].化學教育，2012，（6）：30～32..

[2]王晶，鄭長龍.義務教育課程標準實驗教科書·化學[M].北京：人民教育出版社，2012：26～27.

[3]曹碧華.“空氣中氧氣含量的測定”實驗改進[J].實驗教學與儀器，2010，（1）：25.

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

[5]徐泓.利用“食品脫氧劑”測定空氣中氧氣含量的系列設計[J].化學教育，2010，（11）：7.

[6]楊國萍，齊俊林.空氣中氧氣體積含量測定實驗的新設計[J].化學教學，2016，（3）：57～60.

[7]黎慧賢.例談初中化學實驗教學中培養學生控制變量思想的方法[J].化學教學，2015，（4）：66～70.