“測定空氣里氧氣的含量”實驗的改進

戴香蘭

【摘 要】“測定空氣里氧氣的含量”這個實驗是新人教版九年級化學上冊中的一個重要實驗。這個實驗存在一些不足之處，對該實驗的方法、裝置及藥品可進行必要的改進。

【關鍵詞】空氣中氧氣含量的測定；實驗改進

化學是一門以實驗為基礎的科學。演示實驗的成敗與效果不僅影響學生對化學知識的理解和掌握，還直接影響學生學習的興趣。“測定空氣里氧氣的含量”這個實驗按教材的設計方法進行實驗，現象不明顯，實驗的成功率較低。針對這個實驗所存在的問題，筆者在前人研究的基礎上，對該實驗的方法、裝置及藥品進行了改進與嘗試，并取得了較好的實驗效果。

一、教材中的實驗及不足之處

新人教版九年級化學上冊中的實驗2-1（如圖1），利用紅磷燃燒消耗空氣中的氧氣，使集氣瓶內的壓強減小，在大氣壓的作用下，燒杯中的水沿著導管進入集氣瓶里，通過集氣瓶內水面上升的體積判斷氧氣的含量。

教材中原實驗在實際的操作中水面不可能達到預期的理想高度，實驗很難成功，主要原因是教材中原實驗存在以下不足之處：①燃燒過程沒有始終在密閉裝置中完成，從點燃紅磷到插入集氣瓶過程中會有裝置內空氣受熱逸出；②點燃紅磷的燃燒匙在伸入集氣瓶過程中，紅磷燃燒產生的五氧化二磷會逸散到空氣中，不利于師生健康并且污染空氣；③在點燃紅磷前玻璃導管內沒有水，反應結束后導管內會有部分水滯留，造成的實驗誤差也較大；④紅磷的著火點較高，紅磷燃燒熄滅并不是容器里的氧氣耗盡，而是氧氣的濃度降低到不能再支持紅磷燃燒，即紅磷燃燒僅消耗70%—80%左右的氧氣，所以水面不可能達到預期的理想高度。

二、實驗的改進

1.為了克服上述中①②兩點缺陷，讓紅磷的燃燒反應在密閉的裝置中進行，防止空氣受熱外逸和產生的五氧化二磷逸散到空氣中污染環境，需要改進點燃方式，把外部點燃改為內部點燃，而紅磷的著火點有240℃，內部引燃很難達到此溫度，因此，可以用白磷（著火點40℃）代替，由于白磷著火點低，操作更為簡便節能。通過查閱資料文獻，找到了以下幾種典型的改進方法。

圖2用凸透鏡將太陽光聚焦到白磷上引燃白磷；圖3用銅絲導熱引燃白磷；圖4用水浴加熱引燃白磷。

這三套裝置都可以解決瓶外引燃導致的污染問題，只是圖2需要用凸透鏡將太陽光聚焦到白磷上引燃白磷，而教室里無法得到強烈的太陽光，實驗只能到室外做，并且對天氣有要求，因此在實際的教學中是不適用的。而圖3用銅絲導熱引燃白磷，銅絲需要插入橡膠塞，銅絲通過厚厚的橡膠塞在導熱到白磷的過程中已經消耗了大量的熱量，最后傳遞到白磷的熱量很難使白磷的溫度達到著火點而燃燒起來。通過實驗驗證圖4用水浴加熱引燃白磷，是以上幾種改進方法中最簡便并且可行的內部引燃白磷的方法。

2.為了克服上述中③的缺陷，減小導管對實驗結果造成的誤差，需要改進氧氣消耗體積的測量方式。可以縮短導管的長度或者直接刪除導管的導水作用。通過查閱資料文獻，找到了以下幾種典型的改進方法。

圖5利用下口敞開的鐘罩放置在水槽里；圖6利用硬質玻璃管放置在水槽里；圖7改變燃燒匙的形狀，把直柄彎曲成“V”形；圖8利用白磷燃燒消耗氣體產生的壓差使玻璃注射器的活塞向內側移動。

圖5-圖7的三套裝置利用的改進思路是一致的，都是用敞開的儀器倒置水中讓水面直接上升，無需導管的連接，減少水在導管內滯留影響實驗誤差。但這三套裝置中的紅磷要在裝置外部引燃，無法防止空氣受熱外逸和產生的五氧化二磷逸散到空氣中污染環境。圖8的裝置雖然可以達到內部引燃白磷并且沒有導管的作用，但是此裝置的氣密性要求很高，而且因為注射器活塞的摩擦作用，在實際的實驗中也很難達到預期的實驗結果。總之，這些裝置也都存在一些問題需要解決。

3.為了克服上述中④的缺陷，需要對實驗的藥品進行改進。教材中的實驗隨著反應的進行氧氣濃度降低即無法支持燃燒，因此空氣中的氧氣不能除盡，需要選擇還原性較強的物質進行反應。通過查閱資料對比，還原性鐵粉是進行此實驗相對理想的藥品，利用鐵生銹可以完全消耗空氣中的氧氣。

圖9即是用還原性鐵粉做此實驗的實驗裝置。

該實驗的儀器和藥品：20mL的注射器、橡膠塞、熱帖、水。

該實驗的過程：利用熱帖（主要成分：鐵粉、水和食鹽）或食品脫氧劑進行實驗。在容量為20mL的注射器中封閉約2mL熱帖中的固體，吸取少量的水，預留15mL空氣，把注射器前端開口用橡膠塞塞住。

實驗現象及結果：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，達到預期的實驗效果。

此裝置實驗的優點：克服了上述提到的教材原實驗的四點不足之處，使整個實驗過程做到在密閉的容器中進行，氣體不會向外逸散，無連接裝置，氣密性更好，避免污染，使用的藥品可以完全消耗空氣中的氧氣，更加準確地測定空氣中氧氣的含量，最大限度減少實驗誤差，并且儀器簡單，操作簡便，藥品易得。此外，還可將此演示實驗轉化為學生實驗，從而進一步激發學生的學習興趣，啟發學生的科學思維，為學生提升創新的科學素養開啟智慧之門，讓學生體驗到化學實驗的創造之美。

【參考文獻】

[1]邱嬋珍.測定空氣中氧氣含量的實驗改進《新校園》，2014（2）