數字實驗探究排水法和向上排空氣法收集氧氣濃度的不同

王璟 黃思國

【實驗背景】

氧氣的收集方法有兩種，分別是排水法和向上排空氣法。在課堂中，學生分別用兩種方法收集兩瓶氣體，并提出這兩種氣體有何不同。通過查閱資料，學生得出排水法收集的O2較為純凈，向上排空氣法收集的O2較為干燥。進一步調查發現大多數學生對兩瓶氣體的差異還是有極大的興趣的，為了驗證學生的結論，同時也為激發學生學習化學的興趣，提高對化學學習的動力，我校化學興趣小組的同學決定組織開展一次比較排水法和向上排空氣法收集氧氣的濃度有何不同的探究活動。

【實驗原理】

利用O2傳感器分別測量排水法和向上排空氣法收集的O2濃度變化數據，從而推斷兩種方法收集的O2純度情況。

利用濕度傳感器測量排水法和向上排空氣法收集的O2相對濕度變化數據，從而推斷兩種方法收集的O2干燥情況。

【實驗鋪墊】

[教師]

課堂上有的同學用排水法收集了一瓶氧氣，有的同學用向上排空氣法收集了一瓶氧氣，哪位同學說說兩種方法收集的氧氣有什么區別？

[學生1]

排水法收集的氧氣比向上排空氣法收集的氧氣濃度高。

[教師]

還有同學進行補充的嗎？

[學生2]

向上排空氣法收集的氧氣比排水法收集的氧氣更干燥，水蒸氣含量低。

[教師]

回答得非常好！那么有沒有同學可以設計一個實驗來驗證這兩位同學給出的結論。

（學生陷入深思……）

[教師]（介紹氧氣傳感器和濕度傳感器）

同學們，接下來我介紹兩種傳感器：

氧氣傳感器，可以測量氣體中氧氣的濃度。

濕度傳感器，可以測量氣體的相對濕度。

下面請大家根據老師提供的實驗器材和藥品，設計實驗方案并進行驗證。

【實驗探究】

1.提出問題：排水法收集的O2和向上排空氣法收集的O2有什么不同？

2.猜想假設：（1）用排水法收集的O2濃度比向上排空氣法收集的O2濃度高。

（2）用排水法收集的O2水蒸氣含量比向上排空氣法收集的O2水蒸氣含量高。

3.進行實驗

（1）實驗藥品和儀器：KMnO4、試管、單孔橡皮塞、導管、鐵架臺、集氣瓶、棉花、Logger Pro軟件、濕度傳感器、O2傳感器。

（2）設計實驗步驟，進行實驗：

①打開Logger pro軟件，連接好濕度傳感器、O2傳感器。

②用KMnO4制取氧氣，并用向上排空氣法收集一瓶氧氣，收集的同時，將濕度傳感器、O2傳感器同時伸入集氣瓶中，觀察氧氣的濃度數值和相對濕度數值的變化，并記錄數值。

向上排空氣法收集氧氣的數據表

③用排水法收集一瓶氧氣，收集完畢后將濕度傳感器、O2傳感器同時伸入集氣瓶中，并記錄數值。

（3）實驗數據記錄

（4）解釋與結論：

[教師]

根據我們實驗的數值，說明了什么呢？

[學生1]

說明排水法收集的氧氣比向上排空氣法收集的氧氣濃度高，更純凈。

而向上排空氣法收集的氧氣水蒸氣含量比較少，更干燥。

[教師]

回答得非常好，還能說明什么呢？大家可以討論下。

（學生討論中……）

[學生2]

排水法和向上排空氣法都不能收集到100%濃度的氧氣。

[教師]

回答得太棒了，不過課后大家還可以再討論下，你還能得到什么結論？

【教師總結】

通過以上實驗，我們成功證明了用排水法收集的O2濃度比向上排空氣法收集的O2濃度高，用排水法收集的O2水蒸氣含量比向上排空氣法收集的O2水蒸氣含量高，基本完成了我們實驗的目的，同時也真正地感受到數字化實驗對我們化學實驗的創新起著非常重要的作用，當然也希望同學們升入高中或者大學繼續向著自己的夢想去探究，去飛翔。

【實驗思考】

化學是一門以實驗為基礎的學科，對剛開始接觸化學的初中學生而言，實驗是奇妙的，是能讓他們思維活躍、提高學習興趣的一種催化劑。因此教師應該充分利用化學實驗去營造學生學習化學的土壤，提高學生學習化學的興趣。

但是現階段課本的實驗有限，有時拓展的實驗又受到常規的手段限制，無法達到實驗目的。而現在是數字化時代，數字化的基礎應該盡可能地融入課堂的教學中來，成為學生學習化學的一種載體、一種工具。近幾年來，大量的創新實驗都用到了數字化實驗的各種傳感器，也確實體現了它的優勢。比如本次探究的實驗，對于我們看不見摸不著的氣體如何比較濃度，如何比較水蒸氣含量，用常規的實驗手段感覺難以下手。而濕度傳感器、O2傳感器的使用，將如此復雜的問題卻又簡單地解決了，用兩組強有力的數據直接說明了問題。數字化實驗開闊了學生的視野，也拓展了學生的知識面，因此我認為隨著我國經濟文化水平的不斷發展，數字化的儀器將很快走進每個化學實驗室當中去。

（作者單位：安徽省馬鞍山市第八中學）