利用數字化儀器探析氧氣收集實驗中的純度問題

邱聯妹

摘要：利用氧氣傳感器進行數字化實驗，通過測定排水法和向上排空氣法收集氧氣純度差異以及氧氣收集操作規范性對收集純度影響，幫助學生利用直觀數據理解抽象的分析。

關鍵詞：數字化實驗；氧氣收集；氧氣純度

文章編號：1008-0546（2017）08-0088-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.08.031

一、實驗背景

氧氣的制取是初中化學課程中一個基礎而又極其重要的教學點。根據氧氣的使用需求可以選擇排水法或向上排空氣法進行收集，這兩種收集方法收集到的氧氣在純度上有何區別？另外，無論是排水法還是向上排空氣法在操作規范上都有一定的要求，以確保盡可能收集到純度更高的氧氣，那么操作不規范又會對收集氧氣的純度造成怎樣的影響？在傳統教學中，教師采取語言描述的方式向學生解釋以上問題，然而再豐富生動的語言也難以讓學生獲得真實的感悟，借助數字化實驗儀器可以解決這個問題，學生通過觀測實驗過程中氧氣濃度的實時數值，獲得直觀體驗。

二、實驗目標

1. 利用氧氣傳感器探頭的監測功能，通過數據采集器實時將氧氣濃度的測定數據傳達到手持多功能分析儀，在屏幕上直接生成數據曲線，展示容器內氧氣濃度的變化過程或最終數值。

2. 通過真實數據比對分析，直觀說明收集方法差異或操作規范性差異對氧氣收集純度的影響。

3. 利用數字化實驗幫助學生在化學學習上從定性思維向定量思維轉化，體驗科技進步的產物數字化儀器在化學實驗探究中發揮的重要作用。

三、實驗試劑及儀器

氧氣傳感器、數據采集器、手持多功能分析儀、高錳酸鉀、水、鐵架臺、試管、導管、橡皮塞、集氣瓶、毛玻璃片、酒精燈、水槽。

四、實驗教學設計

實驗探究經驗儲備：

用數據線連接氧氣傳感器、數據采集器、手持多功能分析儀，將氧氣傳感器探頭伸入集氣瓶中，用向上排空氣法向集氣瓶中通入氧氣，瓶口放置帶火星的木條。將顯示屏上氧氣濃度增大的變化曲線與帶火星木條復燃的現象結合在一起，幫助學生形成氧氣測定曲線與氧氣濃度關系的直接經驗感知（見圖1、圖2）。

實驗探究一：不同收集方法收集氧氣純度的差異

[步驟1]用加熱高錳酸鉀分解制氧氣，按照排水法規范操作要求，待集氣瓶口向外冒出第一個大氣泡后立即停止收集。重復實驗，收集3瓶氧氣（如圖3所示）。將氧氣傳感器探頭伸入集氣瓶中測定氧氣的含量（如圖4所示），數據記錄于表1中。

[步驟2] 用加熱高錳酸鉀分解制氧氣，按照向上排空氣法規范操作要求，以能使放置在集氣瓶口帶火星木條復燃為氧氣集滿的標準，重復收集3瓶氧氣（如圖5所示）。將氧氣傳感器探頭伸入集氣瓶中測定氧氣的含量（如圖6所示），數據記錄于表1中。

[步驟3] 重復步驟2，將氧氣集滿標準改為以能使放置在集氣瓶口帶火星木條復燃后再收集40s，測定數據記錄于表1中。

[數據記錄]

[數據分析]

1. 實驗前將氧氣傳感器探頭進行校準，校準值為21%，實驗中使用同一氧氣傳感器，系統誤差相同，數據比較可信。

2. 對比分析表1數據發現：

（1） 用加熱高錳酸鉀分解制取氧氣，按照課堂常規演示實驗操作進行，氧氣未經過除雜干燥，排水法收集氧氣純度明顯大于向上排空氣法（木條復燃停止收集）收集到氧氣的純度（差值10%）。

（2） 用加熱高錳酸鉀分解制取氧氣，氧氣未經過除雜干燥，均用向上排空氣法收集，而驗滿標準不同，木條復燃后再收集40秒獲得氧氣純度明顯大于木條復燃立即停止收集的氧氣純度（差值8.7%），且幾乎接近用排水法收集到氧氣的純度。

[解釋評價]

1. 氧氣密度與液態水密度相差較大，雖因水蒸氣的存在，不可能收集到100%氧氣，但相較于排空氣法（常規驗滿標準），還是排水法收集到氧氣純度較高。故排水法收集氣體純度高的優勢理論成立。

2. 氧氣的密度與空氣相差不大以及收集時氣體對流因素造成向上排空氣法收集氣體純度不高，但若將驗滿標準改為木條復燃后再收集40秒，收集到氧氣純度明顯增大，甚至可能達到排水法收集的純度。故若實驗需要純度高又干燥的氧氣進行實驗，如鐵絲燃燒實驗，可選擇向上排空氣并延長收集時間的方法收集氧氣。

實驗探究二：收集規范性差異對收集氧氣的純度的影響

[步驟1]加熱高錳酸鉀用排水法收集氧氣，按照排水法規范操作，待導管口冒出連續均勻氣泡后，將導管伸入集氣瓶口，重復收集3瓶氧氣，用氧氣傳感器測定氧氣的濃度（本研究中利用實驗探究一里面步驟1的數據），記錄數據于表2中。

[步驟2]加熱高錳酸鉀用排水法收集氧氣，未按照排水法規范操作，導管口一冒出氣泡立即收集。重復收集3瓶氧氣，用氧氣傳感器測定氧氣的濃度。數據記錄于表2中。

[數據記錄]

[數據分析]

1. 考慮裝置中原存空氣體積固定，集氣瓶容積的大小對測定結果有一定的影響。該實驗中使用容積為100mL的集氣瓶收集氧氣進行測定，系統誤差相同，數據可以進行比較。

2. 均用排水法進行收集，導管口一冒出氣泡后立即收集到氧氣的純度明顯小于導管口冒出連續均勻氣泡后收集的氧氣純度（差值約26%）。

[解釋評價]

實驗時通過觀察到導管口冒出連續均勻氣泡，說明此時排出氧氣較純凈的理論成立。實驗操作時應注意收集時機的把握，進行規范操作。

[步驟3]用向上排空氣法收集氧氣，按照規范操作要求，將導管伸近集氣瓶底部，以能使放置在集氣瓶口帶火星木條復燃為氧氣集滿的標準，重復收集3瓶氧氣。將氧氣傳感器探頭伸入集氣瓶中測定氧氣的含量（可利用實驗探究一里面步驟2的數據），記錄數據于表中3。

[步驟4]用向上排空氣法收集氧氣，未按照規范操作要求，將導管伸入集氣瓶中部（如圖7所示），以能使放置在集氣瓶口帶火星木條復燃為氧氣集滿的標準，重復收集3瓶氧氣。將氧氣傳感器探頭伸入集氣瓶中測定氧氣的含量，記錄數據于表3中。

[數據記錄]

[數據分析]

1. 用向上排空氣法收集氧氣，將導管伸入集氣瓶中部，當放置在集氣瓶口帶火星木條復燃為氧氣集滿的標準，用氧氣傳感器測定氧氣純度時若空氣與瓶中空氣與氧氣未均勻混合，會影響測定結果的準確性，故該實驗應在氣體收集完成后將集氣瓶上下顛倒數次后再測氧氣純度。

2. 均用向上排空氣法收集氧氣，將導管伸近集氣瓶底部收集到氧氣的純度明顯大于導管伸至瓶中收集到氧氣純度（差值22.7%）。

[解釋評價]

排空氣法收集氣體時，將導管盡可能伸近瓶底，以便將空氣排盡的操作能較大程度上提高收集氣體的純度。

五、體會心得

近年來，數字化實驗設備已然成為初中化學實驗開展定量研究的新手段并日益普及到基層教學中。利用真實的數據為化學學習的抽象思考提供具體證據和有力說明，有利于幫助學生形成量變引起質變的唯物主義辯證觀。在初中化學啟蒙教學過程中，數字化實驗設備未必只能在復雜實驗才得以使用，更不必為了使用而設計超出教學大綱范圍，脫離學生知識水平和接受能力的實驗。參照義務教育化學課程標準，以教科書中常規實驗為基礎，合理地楔入數字化實驗才更符合教學實際，更能服務于課堂，真正成為常態教學的組成部分。

參考文獻

[1] 張志輝 初中實驗室收集到100%的氧氣[J].化學教與學，2013（12）：92

[2] 王祖浩.義務教育教科書化學教師教學指導書（上冊）[M].上海：上海教育出版社，2013