對燃燒法測定氧氣含量實(shí)驗(yàn)的再認(rèn)識

陸偉生

[摘 要]在燃燒法測定空氣中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)中，我們經(jīng)常會分析哪些因素會導(dǎo)致氧氣測量結(jié)果偏小。其實(shí)，還存在著一個(gè)導(dǎo)致氧氣測量結(jié)果偏大的因素，那就是將燃燒物的火焰移入集氣瓶時(shí)，火焰的上方存在一定量的“熱空氣團(tuán)”，這些“熱空氣團(tuán)”處于高溫膨脹狀態(tài)，當(dāng)火焰移入容器熄滅后，這部分“熱空氣團(tuán)”就會冷卻收縮，造成瓶內(nèi)氣壓變小，導(dǎo)致氧氣含量的測量結(jié)果偏大。這個(gè)因素比較隱蔽，很多時(shí)候會被忽略或誤判。

[關(guān)鍵詞]熱空氣團(tuán);燃燒法;氧氣含量;測量結(jié)果;偏大

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）35-0086-02

一、問題的來源

2020年上海市“空中課堂”六年級科學(xué)第五單元《空氣的組成②》一課中，教師在講授空氣中氧氣的比例時(shí)，播放了一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)（下稱實(shí)驗(yàn)一）：將一支小蠟燭置于一小盤中，小盤浮于盛有水的大盤中央。點(diǎn)燃蠟燭后，用一個(gè)玻璃杯倒扣蠟燭，一會兒后，蠟燭的火焰熄滅了，隨后有較多的水進(jìn)入玻璃杯（如圖1）。

接著，教師講道：蠟燭燃燒消耗掉杯中氧氣，水面上升的體積大致相當(dāng)于杯中原有氧氣的體積。

但這樣的結(jié)論從化學(xué)原理來分析是不被認(rèn)可的。具體分析如下：蠟燭的主要成分是石蠟，石蠟是從石油的含蠟餾分經(jīng)冷榨或溶劑脫蠟而制得的，是幾種高級烷烴的混合物，主要是正二十二烷（C22H46）和正二十八烷（C28H58），含碳元素約85%，含氫元素約14%。根據(jù)反應(yīng)原理，少部分氧氣與氫元素結(jié)合生成水，大部分氧氣與碳元素結(jié)合生成二氧化碳，這會補(bǔ)充氧氣所消耗的體積，杯子內(nèi)的氣壓是不會明顯變小的，也就是火焰熄滅后，按理水是不會進(jìn)入杯子內(nèi)的。但事實(shí)勝于雄辯，火焰熄滅后，幾乎是同時(shí)，水確實(shí)進(jìn)入了杯子內(nèi)，而且量也不少，約占杯子容積的五分之一，這到底是什么原因呢？

筆者當(dāng)時(shí)猜想的原因是，反應(yīng)生成的二氧化碳溶于水中，造成杯子內(nèi)氣壓減少。但筆者用石灰水替代水重復(fù)該實(shí)驗(yàn)時(shí)，火焰熄滅后，石灰水幾乎不變渾濁，水進(jìn)入杯子的現(xiàn)象也不變。從現(xiàn)象來分析，火焰熄滅的同時(shí)，水就立即進(jìn)入杯子，這么短的時(shí)間內(nèi)，杯內(nèi)的二氧化碳是來不及溶解于水中的。

經(jīng)過更多的思考與分析，筆者認(rèn)為，蠟燭火焰熄滅后，水進(jìn)入杯中的真正原因是蠟燭火焰上方的“熱空氣團(tuán)”（如圖2）造成的。這一團(tuán)熱空氣溫度較高，當(dāng)玻璃杯扣到蠟燭火焰上方導(dǎo)致火焰熄滅后，它就會冷卻收縮，造成杯子內(nèi)氣壓變小，因而導(dǎo)致水進(jìn)入杯中。因此，水不是因?yàn)檠鯕獾臏p少而進(jìn)入杯中的。

以上的分析只是推理，可不可以通過實(shí)驗(yàn)來證明呢？

二、實(shí)驗(yàn)與探究

筆者做了探究實(shí)驗(yàn)二，具體如下：

采用教材中的經(jīng)典裝置（如圖3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只是將紅磷用蠟燭代替。要確保操作規(guī)范準(zhǔn)確，特別要注意當(dāng)火焰移入集氣瓶時(shí)要做到迅速、準(zhǔn)確，確保不會因?yàn)殡p孔塞塞入過慢而導(dǎo)致氧氣含量的測量結(jié)果偏高。集氣瓶的容積為178毫升（塞完雙孔塞后集氣瓶的容積為169毫升，實(shí)驗(yàn)用數(shù)據(jù)以此為依據(jù)）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，蠟燭火焰熄滅后稍冷卻，有水進(jìn)入集氣瓶中，倒出進(jìn)入瓶內(nèi)的水測其體積。實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，測得水的體積的平均值為 19毫升。而且火焰一熄滅，水馬上進(jìn)入瓶中，與蠟燭在盤中燃燒（實(shí)驗(yàn)一）的現(xiàn)象如出一轍。但實(shí)驗(yàn)二中火焰熄滅后，進(jìn)入的水的體積明顯不如實(shí)驗(yàn)一進(jìn)得多。筆者以為這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)一中的蠟燭火焰是靜止的，上方積累的“熱空氣團(tuán)”較多，而實(shí)驗(yàn)二中的蠟燭火焰是移入集氣瓶中的，在移動過程中“熱空氣團(tuán)”有散失，故火焰熄滅后進(jìn)入瓶中的水不多。

為了驗(yàn)證以上的推理，筆者做了探究實(shí)驗(yàn)三、探究實(shí)驗(yàn)四，分別用木條、木炭作為燃料替代紅磷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，裝置與實(shí)驗(yàn)二相同，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，集氣瓶（塞好雙孔橡膠塞后）的容積均為169毫升。火焰熄滅后水進(jìn)入的體積數(shù)據(jù)如表1所示。

附加現(xiàn)象一：當(dāng)木條火焰較大時(shí)，進(jìn)入瓶中的水要比火焰較小時(shí)量要大，兩者相差較大。

附加現(xiàn)象二：木炭燒得紅熱后放入集氣瓶中，立即塞緊雙孔塞，一段時(shí)間內(nèi)水不會進(jìn)入，約3分鐘后，水才緩緩地進(jìn)入瓶中。

按照化學(xué)教材上的經(jīng)典說法，燃燒法測量空氣中氧氣的比例時(shí)選用紅磷的原因是，紅磷燃燒后的生成物是五氧化二磷，是一種固體，故火焰熄滅后會造成集氣瓶內(nèi)氣壓變小，水在外界大氣壓的作用下進(jìn)入集氣瓶。

筆者之所以選擇木條和木炭作為實(shí)驗(yàn)對照用燃料，是因?yàn)檫@兩種物質(zhì)根據(jù)教材實(shí)驗(yàn)原理，是不能用于燃燒法測量空氣中的氧氣含量實(shí)驗(yàn)的，原因是它們?nèi)紵髸a(chǎn)生同體積的二氧化碳，填補(bǔ)了所消耗的氧氣體積，瓶內(nèi)氣壓不會變小。但事實(shí)上，火焰熄滅后，仍有一定量的水會進(jìn)入集氣瓶內(nèi)，最多的為木條實(shí)驗(yàn)，會進(jìn)入18%左右（31.3/169），可見確實(shí)是火焰上方的“熱空氣團(tuán)”的作用使然。

那么使用紅磷燃燒法測量空氣中的氧氣含量時(shí)，這種火焰上方的“熱空氣團(tuán)”效應(yīng)會存在嗎？答案是肯定的。

為此，筆者也精確地做了紅磷燃燒實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)五），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

實(shí)驗(yàn)分析：集氣瓶容積為169毫升，其五分之一約為34毫升，但事實(shí)上進(jìn)入集氣瓶的水約41.7毫升，超過理論值7毫升多。由此證明，用紅磷燃燒法做此實(shí)驗(yàn)時(shí)，確實(shí)存在“熱空氣團(tuán)”效應(yīng)，而且影響不小。我們平時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)也有所發(fā)現(xiàn)，即火焰熄滅后，進(jìn)入的水不是少了而是多了，常常無法解釋，也容易被忽略，在此得以證明。

三、結(jié)論與應(yīng)用

這樣看來，燃燒法測量空氣中的氧氣含量時(shí)，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素較多，而平時(shí)我們只分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏小的原因，不外乎：氣密性不良、紅磷不夠、集氣瓶未冷卻、導(dǎo)管內(nèi)留有水柱等。隨著傳感器在實(shí)驗(yàn)中的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，發(fā)現(xiàn)紅磷燃燒實(shí)驗(yàn)中火焰熄滅后，集氣瓶中的氧氣并沒有完全耗盡，而實(shí)驗(yàn)最后剩余的氧氣含量約為7%，相當(dāng)于原有的氧氣只消耗了67%剩下了約33%。這可是個(gè)不小的數(shù)據(jù)，但為什么我們一直沒發(fā)現(xiàn)氧氣的測量結(jié)果偏小呢？原因就在這兒，該實(shí)驗(yàn)還存在著氧氣測量結(jié)果偏大的因素，即火焰上方的“熱空氣團(tuán)”效應(yīng)，當(dāng)兩者同時(shí)產(chǎn)生作用時(shí)，常常相互掩蓋，使兩者均不容易被發(fā)現(xiàn)。

對燃燒法測量氧氣含量實(shí)驗(yàn)的全面認(rèn)識，也有助于解答相關(guān)問題，如下面的習(xí)題：

如圖4所示，等體積的甲、乙兩集氣瓶內(nèi)充滿空氣，燃燒匙內(nèi)分別盛有過量的紅磷和硫粉，點(diǎn)燃它們充分反應(yīng)后，冷卻至室溫，打開彈簧夾，出現(xiàn)的現(xiàn)象是（ ）。

A.甲瓶中有水流入，而乙瓶中沒有水流入

B.甲瓶中沒有水流入，而乙瓶中有水流入

C.甲、乙瓶中均有水流入

D.甲、乙瓶中均無水流入

從以上的分析不難看出答案應(yīng)該是C，但有部分教師想當(dāng)然地認(rèn)為答案是A。可見，有些平時(shí)想象中不可能出現(xiàn)的結(jié)果，有時(shí)候也會存在，只不過被我們忽略了，如果還有人將此作為結(jié)論來考學(xué)生，實(shí)在有一點(diǎn)誤人子弟了。

真沒想到，一個(gè)做了多年的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，居然還有我們沒有考慮到的因素，甚至還會顛覆我們對原實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識。正是驗(yàn)證了著名化學(xué)家付鷹說的話“化學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，只有實(shí)驗(yàn)才是最高法庭”，可見實(shí)驗(yàn)可以對觀點(diǎn)做出最公正的判決。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 陳學(xué)東，嚴(yán)西平.紅磷、白磷在密閉容器中燃燒的耗氧量探究[J].化學(xué)教與學(xué)，2014（7）：90-91.

[2]? 王祖浩，王磊.義務(wù)教育教科書化學(xué)：上冊[M].上海：上海教育出版社，2013：13-14.

[3]? 張貞，楊承印.空氣中氧氣含量測定實(shí)驗(yàn)原理探析[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2010（11）：36-37.

（責(zé)任編輯 羅 艷）