“測定空氣中氧氣含量”實驗的創新設計

摘 要：現行教材各版本對“空氣中氧氣體積分數的測定”這一實驗，幾乎采用相同的設計方式，該裝置不乏許多優點，但也有不少缺陷未能避免，如：實驗操作要求高、產生誤差原因多等。在總結前人及教參的基礎上，通過多次實踐檢驗，設計了一種更科學合理的裝置（見正文）。設計中，創造性地使用了量筒和注射器，在實驗過程中可以快速方便地讀取數據；又用藍色CuSO4溶液替代水，不僅使實驗現象更加明顯，同時還能化解剩余白磷的毒性，可謂一舉兩得。從分析教材實驗入手，參照分析其他教學參考資料的改進安排，并結合教學實踐，總結出具有一定創新的實驗設計。

關鍵詞：實驗改進；注射器；量筒；誤差小；環保

一、教材中的實驗分析

“空氣中氧氣體積分數的測定”這一實驗，在其他教材中也有呈現，呈現在浙教版八年級科學下冊中，是分析空氣中氧氣的一個重要實驗。通過總結分析可以發現：基本采用如圖1裝置進行實驗。

實驗通過利用與氧氣燃燒的物質，并且這一物質不會產生其他氣體，如白磷、紅磷等，利用氣體體積的減少，密封體系內外壓強的變化測量空氣中氧氣的體積。

■

在測定氧氣含量時存在著一個假設，即集氣瓶長度正比于集氣瓶體積，集氣瓶內氣柱高度的變化完全是氧氣消耗導致（集氣瓶中所有氧氣被消耗），而且空氣是理想混合氣體，溫度和壓強不發生變化。該實驗作為粗略測量空氣中氧氣含量，大致了解氧氣在空氣中所占比例有它合理之處，裝置設備簡單，現象也較為明顯，是個實用的實驗。

若撇開教材其他內容，單就“空氣中氧氣體積分數的測定”來說此實驗還可作些改進，圖1的實驗存在著以下缺點。

1.做空氣中氧氣含量的測定實驗時，燒杯中的水為什么會流入集氣瓶，且流入水的體積等于氣體減小的體積，這一問題學生在實驗時，理解不清楚，無法達到通過實驗掌握課本相關知識的目的。

2.在實驗的密封裝置中，我們可以看到里面有少量的水，但是實驗中燒杯中的水又會倒流到密封系統中，這二者水的作用，學生不是很明確，水混合后也更加不容易分辨。

3.在紅磷或者白磷的燃燒中存在問題，首先燃燒需要加熱時間過長，操作不是很便捷，其次，在燃燒時燃燒物會產生大量的熱量，在相對密封的空間中，短時間瓶內的壓力過大，導致瓶塞被沖開，有一定的安全隱患。

4.燃燒結束后，將集氣瓶冷卻到室溫，需經歷較長時間，不能高效利用寶貴的課堂時間。

5.由于集氣瓶口徑較大、沒有刻度，不能定量地反映出水進入的多少，實驗不夠精確。

另外，該設計還受到實驗誤差過大的困擾：（1）空氣的體積測量不準確。在實驗中燃燒物后再放入集氣瓶中，這個過程，由于需要打開瓶口，會有一部分空氣溢出，導師實際空氣體積不準確。當冷卻到室溫，打開止水夾后，進入集氣瓶內的水可能會大于■體積。（2）實驗中乳膠管和玻璃導管中有水殘留，不能全部進入集氣瓶，會產生誤差。（3）我們從裝置可以看到，集氣瓶導管口與燒杯中的導管口的高低是不一樣的，這樣的結果也會影響水收集到集氣瓶中。（4）空氣中的氧氣濃度影響燃燒物燃燒度。實驗中會出現燃燒物無法燃盡，水流倒流不多的現象，致使實驗失敗。做該實驗時，會發現水面停在不足■處，原因就在于此。

二、其他一些改進實驗案例

正是因為有如上所述的缺陷，教參和其他一些資料介紹了對該實驗改進的多種方法。

1.在《實驗教學與儀器》刊登了改進后的實驗裝置。優勢是設備簡單，容易操作，且采取了雙通管的方式，但是同樣也存在不少弊端，如同樣需要點燃后伸入紅磷，容易導致空氣外溢，影響測量。

2.在化學教學中也有對該實驗改進的報道，改進形式主要是直接將“集氣瓶中的空氣固定死，加熱采取加熱玻璃棒一段，引燃紅磷的形式”。實踐中，先“把集氣瓶底的少量水壓到燒杯中，稍后，集氣瓶中的氧氣被磷燃燒消耗，燒杯中的水又壓入集氣瓶中。”理論上是科學的，實際上是可行的。但引燃白磷的操作難度很大，首先，加熱棒與燃燒物的接觸是個很大的問題，加熱過長，時間也就會過長，溫度過高的話，接觸燃燒物操作上就不容易了；加熱短，燃燒物也無法起到引燃的作用。還有，這一設計還是無法突破需要學生先理解大氣壓，再認識發生水倒吸現象的難點。

中考試題也用到一些改進的實驗，可見該實驗是比較典型的實驗，受到大家廣泛的關注。

例：課外活動小組的同學，用圖2所示的裝置粗略測定空氣中氧氣的體積分數。該裝置的氣密性良好，活塞可左右滑動，實驗前活塞處在刻度10cm處。已知白磷在空氣中燃燒的最低溫度為40℃。

■

回答下列問題：

（1）可觀察到玻璃管內開始發生的現象是：白磷著火燃燒，活塞先向_______移動（填“左”或“右”，下同），后向_____移動。

（2）實驗結束，恢復到常溫后，活塞應停在約_____（填整數）cm處。

三、創新實驗設計

既然該實驗是一個重要典型的實驗，就值得深入的研究，筆者覺得：測定空氣中氧氣含量的方法有多種，但其原理只有一種，這就是利用足量的某物質與密閉容器里空氣中的氧氣充分反應，使容器內壓強減小產生的現象，來確定空氣中氧氣的含量。具體實驗時要注意以下幾個方面：

（1）可用來反應的物質必須是易與氧氣反應且沒有氣體生成的物質（如紅磷），木炭、硫不能用作測定氧氣含量的反應物。

（2）若所用液體不是水，而是堿溶液（如NaOH溶液），用碳、硫作反應物在理論上是可行的，因為生成的氣體CO2、SO2能與NaOH溶液反應而被吸收，但誤差會比較大。

（3）所用來反應的物質必須足量或過量。

（4）容器的氣密性必須良好。

（5）反應掉氧氣后，應該使容器內的溫度恢復到開始反應前時的狀態，才能觀察現象測量數據。endprint

筆者基于以上的思考在前人研究的基礎上，通過不斷摸索查閱資料反復實踐，創新設計了一種既易于學生理解實驗原理，又較為精確的實驗方法。

1.實驗器材

集氣瓶（125mL）一只，塞上橡皮塞實際容積約為150mL；3孔橡皮塞一個；50mL注射器一個（攜帶針頭）；玻璃導管2根（用橡膠管相連）；止水夾、燃燒匙各一個和100mL的量筒一只。實驗藥品：足量的白磷和70℃的CuSO4溶液90mL。

■

2.實驗過程

（1）按如圖3所示裝置，連接儀器。

（2）檢查裝置的氣密性：松開止水夾，輕拉注射器活塞至35mL處（也可在任意刻度處），如果量筒中的溶液也恰好減少35mL，則說明裝置密封性良好。此時，教師可引導學生對“注射器中空氣的變化量和量筒中溶液的減少量兩者相等”這一關系進行分析。經此環節，學生能認識到：在同等條件下，集氣瓶里減少多少體積的空氣，那么就有等體積的液體進入集氣瓶，從而能使學生明晰該實驗的物理原理。進而，學生能推算出：量筒中減少的35mL CuSO4溶液中，約有5mL殘留在導管中（導管的橫截面積×導管在液面以上部分的長度），實際進入集氣瓶內的CuSO4溶液體積為35mL-5mL=30mL（見圖4），瓶內空氣的體積是150mL-30mL=120ml。

■

（3）夾緊止水夾（防止導管中液體流出），拔出橡皮塞，并將注射器的活塞推回到“0”刻度處，迅速在燃燒匙上裝上足量白磷（只需吸收白磷表面大部分水即可，以防自燃），然后立即把橡皮塞塞入集氣瓶，務必塞緊。

（4）集氣瓶內CuSO4溶液的溫度較高，高于白磷的著火點，白磷馬上就被引燃，產生濃厚的白煙，并放出大量的熱。因此，該密閉系統內氣壓急劇增大，注射器活塞會向上移動（可緩沖驟然增大的氣壓，防止沖塞現象的發生）。反應結束，瓶內溫度降低，氣壓減小，活塞又會向下移動至“0”刻度處。在冷卻過程中，教師應抓住該有利時機，引導學生分析本實驗的化學原理。

（5）集氣瓶冷卻到燃燒前的溫度，約60℃時（可用粗略感知的方法：用手觸摸集氣瓶和量筒的玻璃外壁），松開止水夾，能觀察到：量筒中的CuSO4溶液倒吸入集氣瓶內。最終可發現：量筒中所剩液體的體積為31mL，則第二次流入集氣瓶內的CuSO4溶液是：55mL-31mL=24mL（如圖5所示）。由此可說明：集氣瓶內減少的氣體體積為24mL，即瓶內原有120mL空氣中，O2所占體積有24mL。這就不難算出，空氣中O2所占體積分數是：24mL÷120mL×100%=20%。

■

注意：松開止水夾時，溫度不能冷卻到室溫，集氣瓶內的氣體狀態必須與燃燒前保持一致，不然，會使流入瓶內的液體偏多，計算出的氧氣體積分數將大于20%。

（6）輕輕振蕩集氣瓶，以使瓶內的五氧化二磷完全被水吸收，反應剩余的白磷也被硫酸銅溶液吸收。（相關的化學方程式如下：P2O5+3H2O=2H3PO4，11P4+60CuSO4+96H2O=20Cu3P+24H3PO4+60H2SO4）

（7）實驗結束，從右到左依次拆開裝置，清洗、整理實驗儀器。

3.改進意義

（1）改進了空氣的溢出問題和燃燒物中煙霧的污染。這樣既能減少原來實驗裝置溢出空氣的誤差，也不污染環境，具有環保意識，防止空氣污染。

（2）注射器和量筒搭配巧妙。這一改進更加簡化了，實驗將清晰顯示空氣里O2的體積。

同時，注射器和量筒都有精密的刻度，能直接讀出精確的數值，提高了實驗的準確性。另外，注射器能在白磷燃燒時緩沖集氣瓶內氣壓的驟然增大，從而能防止沖塞現象的發生，起到了較好的緩沖作用。

（3）在引燃燃燒物（白磷）方面設計巧妙。實驗不僅方便操作，還環保，讓學生更加容易觀察。

總之，通過創新性地開展實驗設計，在實驗裝置方面做了一些有益的改進，讓實驗更加精密，操作性更強；同時學生在實驗中也培養了實驗探索、創新精神，發展了學生思維。

參考文獻：

[1]王冰.測定空氣中氧氣含量實驗的創新設計[J].中國教育技術裝備，2014（19）：119-120.

[2]周愛婷.“空氣中氧氣含量的測定”實驗的創新設計[J].實驗教學與儀器，2014，31（1）：34-35.

作者簡介：楊彬，男，1982年9月出生，大學本科學歷，現就職單位：浙江省仙居縣官路鎮初中。endprint