測定空氣中氧氣含量實驗的創新設計

陸春華

現行的人教版《化學(九年級)》教材中測定空氣中氧氣含量實驗[1](如圖1所示)是九年級化學中一個非常經典的演示實驗，此實驗盡管操作簡單，但也存在著以下不足之處。

圖1 測定空氣中氧氣含量

(1)由于紅磷是在集氣瓶外引燃的，無論教師動作多么迅速，但仍有瓶內部分空氣受熱而事先逸出瓶外，最終導致實驗結果不夠精確[2]。

(2)在點燃紅磷時，在瓶外產生的白煙污染了環境，尤其是對講臺周圍的學生影響很大。

(3)有些教師為了減小實驗誤差，追求燃燒匙插入集氣瓶中的速度，實驗過程中還會出現紅磷熄滅的現象[3]。

為了完善教材實驗，使得實驗更加精確、科學、綠色環保，筆者借鑒其他教師的一些想法和做法，先列舉4種改進方法，并對其進行反思，旨在“拋磚引玉”。

一、新方案一

1.實驗材料

一只大燒杯(500 mL)、暖寶寶鐵粉、用礦泉水瓶底制作而成的約2.5 cm高的塑料盒、高錳酸鉀、白磷、鑷子、塑料膠管(用502膠水把一根塑料膠管粘在燒杯的內壁，內壁上的塑料膠管口與500 mL刻度保持水平，塑料膠管從燒杯的尖嘴部位伸出燒杯外約10 cm，便于調節水位時排出空氣)、水槽、3根立柱(粘在水槽中)、立柱高度為燒杯倒置于立柱上時，燒杯中的500 mL刻度正好與水槽邊緣保持水平或稍高。

2.實驗過程

(1)在水槽中放入適量的水，加入少許高錳酸鉀。

(2)用剪刀把礦泉水瓶底剪成塑料盒，放在水面上，在塑料盒里倒入約2 cm厚的暖寶寶鐵粉(鋪撒均勻)。

(3)用鑷子夾取一小塊白磷放在暖寶寶鐵粉的中間部位(注意：當溫度高于15 ℃時，不能用濾紙去吸白磷表面的水分，否則，白磷很容易發生自燃；當溫度低于15 ℃時，一定要吸干白磷表面的水分，否則，白磷燃燒時產生的火焰顏色不一定能觀察到)。

(4)保持塑料膠管外側與外界空氣相通，把燒杯倒置于水中，當水從燒杯中流進塑料膠管形成液封時，燒杯內的水位剛好處于500 mL刻度處(如圖2所示)。

圖2 調節水位

(5)把塑料膠管放進水里，把燒杯稍稍上提，把燒杯倒置于3根立柱上(如圖3所示)。

圖3 固定儀器

(6)白磷迅速燃燒，發出黃色火焰，產生的白煙在燒杯中不斷翻滾，燒杯中的液面先立刻下降，后又慢慢上升。

(7)約6 min后，液面上升至400 mL刻度處不再改變，則說明氧氣約占空氣總體積的1/5。

此方案裝置氣密性好，現象十分明顯，鐵粉與白磷的組合氧化產生的熱量迅速被燒杯的內壁和水吸收，冷卻速度快，6～7 min便可完成實驗，實驗過程中產生的白煙直接被水吸收，不污染環境。

二、新方案二

1.實驗材料

測氣瓶、鋼絲、電熱絲、石棉布、導管、儲液瓶、直尺、止水夾等。

2.實驗過程

(1)如圖4所示，用直尺把測氣瓶Ⅰ的體積劃分為五等份，用2根鋼絲制成定位桿，在定位桿上分別安裝兩對能上下移動的螺帽，固定兩根長度均為1 cm并聯成圓形的螺旋狀。

圖4 測定空氣中的氧氣含量

電熱絲(約15圈，每根300 W)為骨架，在距離測氣瓶Ⅰ底部1/5～2/5的中上方，把石棉布放在電熱絲的上面并做成凹型的燃燒匙。

(2)把導管Ⅱ的一端浸沒在儲液瓶Ⅲ底約1/4高的位置，導管Ⅱ的另一端插入測氣瓶Ⅰ(導管Ⅱ口離瓶底1/5～2/5的中下方)，并在儲液瓶Ⅲ中裝滿一瓶5%的硫酸銅溶液。

(3)打開止水夾，連接12 V的電源，如果電熱絲紅熱且在儲液瓶Ⅲ里的導管口冒出氣泡，切斷電源，電熱絲慢慢冷卻，在儲液瓶Ⅲ一側的導管Ⅱ中形成一段水柱，且液面不下降，則說明裝置氣密性良好。

(4)把足量的紅磷放入石棉燃燒匙中，稍稍壓緊。

(5)連接12 V的電源，電熱絲迅速紅熱，剛開始只有少量的白煙從石棉燃燒匙里緩緩上升并迅速散開，在測氣瓶Ⅰ頂端受阻后，又沿著測氣瓶Ⅰ內壁逐漸沉至瓶底，形成像雨傘狀的“白煙傘”，再過一會兒，“白煙傘”慢慢變得濃厚，最后整個測氣瓶Ⅰ中充滿了白煙。

(6)當測氣瓶Ⅰ中上部有少量黃煙(生成的黃磷)出現時，關閉電源。

(7)當測氣瓶Ⅰ恢復至室溫時，打開止水夾，測氣瓶Ⅰ中吸入約1/5體積的有色液體且顏色慢慢變淺。

(8)把倒吸入測氣瓶Ⅰ中的液體沿測氣瓶Ⅰ內壁四周潤洗，當液體顏色快要褪去時，打開瓶塞，發現瓶口沒有白煙和白霧，即說明測氣瓶Ⅰ中的污染物被徹底消除于污染源(即測氣瓶Ⅰ內)。

整個實驗過程現象十分明顯，實驗中使用到的電熱絲電阻小，12 V的電壓可以使電阻絲迅速紅熱，十分安全，實驗在密閉系統中完成，避免了環境污染，保證了實驗結果的精確性，此外，實驗中采用的“定位桿”“可移動的電熱石棉燃燒匙”是實驗成功的有力保證，實驗過程中，教師只需按一下電鈕，反應結束后，打開止水夾，操作完成，大大縮短了實驗的時間。

三、新方案三

1.實驗材料

2支50 mL的注射器、帶鐵夾的鐵架臺、銅粉、大試管(或具支試管)、橡皮塞、乳膠管、量筒、酒精燈等。

2.實驗過程

(1)按圖5、圖6所示裝置連接儀器(先不要裝藥品)，其中圖5通過乳膠管裝上注射器1(乳膠管長度以恰好把具支試管和注射器口部連接在一起為準)，排除注射器1中的空氣，注射器2中保留有一定量的空氣，然后都插進橡皮塞中(如圖6所示)，緩緩推動注射器2中的活塞一小段距離后把手松開，如果注射器1的活塞可以緩緩后退到相同的刻度，即說明裝置氣密性良好。

圖5 測定空氣中氧氣含量(以具支試管為反應容器)

圖6 測定空氣中氧氣含量(以試管為反應容器)

(2)在圖5中的具支試管(圖6中的大試管)中裝入足量的銅粉，使其均勻地鋪撒在試管的底部，塞緊橡皮塞，推動注射器2中的活塞，并留有一定量的氣體(大于反應前空氣總體積的1/5)，記錄數據：Va=40 mL，插入橡皮塞中，根據酒精燈火焰的高度，把試管固定在鐵架臺上。

(3)對銅粉部位進行加熱，并反復來回推拉兩支注射器的活塞，使銅粉與氧氣充分反應。

(4)熄滅酒精燈，待試管冷卻至室溫，把注射器1中氣體全部推進試管中，等注射器2中的活塞不再發生改變時，記錄圖5中的注射器2剩余氣體體積Vb=5.8 mL(圖6中注射器2剩余氣體體積Vb=5.8 mL)。

(5)實驗完成后，洗滌儀器，把具支試管或大試管裝滿水，并塞緊橡皮塞，再把試管中的水全部倒入量筒中，量出圖5中具支試管在塞上橡皮塞的情況下的體積Vc=123.9 mL(圖6中大試管塞上橡皮塞的情況下體積Vc=124.0 mL)。

3.實驗數據處理

(1)圖5中氧氣的體積計算

理論值：

V=(Va+Vc)×21%=(40 mL+123.9 mL)×21%=34.4 mL

實驗測得：

V=Va-Vb=40 mL-5.8 mL=34.2 mL

所以空氣里氧氣的體積分數為：

34.2mL/163.9 mL×100%=20.87%

(2)圖6中氧氣的體積計算

理論值：

V=(Va+Vc)×21%=(40 mL +124.0 mL)×21%=34.4 mL

實驗測得：

V=Va-Vb=40 mL-5.8 mL=34.2 mL

所以空氣里氧氣的體積分數為：

34.2mL/164.0 mL×100%=20.85%

該實驗裝置始終都處于密閉狀態，確保了實驗結果的可靠性，通過推拉注射器活塞和對酒精燈的加熱，確保了鐵粉和氧氣充分反應，直至氧氣基本耗盡，此外，利用注射器的刻度代替了“水”的體積，確保了實驗更為精確、嚴謹，同時也增強了實驗的趣味性、可操作性和可觀察性，而且實驗過程中所用藥品的量很少，實驗的連貫性強，增強了實驗的可對比性，熱水可以吸收產生的白煙，避免了環境污染。

四、新方案四

1.實驗材料

刻度尺、玻璃打孔器、大試管、燃燒匙、大燒杯、鐵架臺、鐵夾、橡皮塞、白磷、沙子、銅絲、鐵鉗、凡士林等[7]。

2.實驗過程

(1)取一大試管，用玻璃打孔器在其底部打一小孔，按圖7所示裝置連接儀器，并檢查裝置的氣密性。

圖7 測定空氣中氧氣含量

(2)從裝置上拔出橡皮塞，向燃燒匙中加入少量的沙子，用鐵鉗把銅絲擰成螺旋狀，然后把銅絲的下端放在酒精燈火焰上加熱至發紅，再向燃燒匙內的沙子上面放一小塊白磷(足量)，立即塞緊橡皮塞。

(3)上移試管至試管內液面和燒杯中液面保持齊平，并迅速用刻度尺量出消耗掉的空氣長度(由于試管中盛有氣體的中間部位上下內徑相同，所以消耗掉的空氣的量可以用試管中氣體的長度來表示)，記為X(cm)。

(4)按下銅絲，使其與白磷接觸，白磷燃燒產生大量的白煙，試管中的液面先迅速下降少許，后又緩緩上升，燒杯中的液面下降。

(5)等白煙完全消失，試管內恢復至室溫時，下移試管至試管中的液面與燒杯中液面齊平，用刻度尺測出氣體的量，記為Y(cm)。

(6)氧氣的含量=(X-Y)/X ×100%。

2.實驗數據記錄

實驗測得的相關數據見表1。

表1 實驗數據

五、結語

此方案結合了初中物理學中金屬的熱導原理，是一個非常好的理科綜合實驗，通過實驗，開拓了學生的視野，培養了學生對知識的遷移運用能力，燃燒匙鐵柄上涂有的凡士林便于下插燃燒匙時減小摩擦力，整個實驗操作簡便，現象明顯，避免了環境污染，實驗可以進行多次，取平均值，結果相對更為精確。