空氣中氧氣含量測定儀

◎湖南省汨羅市屈子祠鎮范家園初級中學 毛雄 熊永玲

在初中化學課程中，空氣中氧氣含量的測定實驗是學生探究空氣成分的重要實驗，能幫助學生由感性認識轉化為理性認識，打開他們探究化學知識、感受化學魅力的大門。

一、教材實驗探究

在人教版化學九年級上冊第二單元課題一“空氣”中，空氣中氧氣含量測定實驗是：在密封的集氣瓶中，通過燃燒紅磷發生化學反應消耗空氣中的氧氣，使得集氣瓶內壓強減小。由于集氣瓶內外存在壓強差，水通過導管進入量杯，進入量杯中的水的體積就代表空氣中氧氣的體積，如圖1所示。

圖1 教材中測定空氣中氧氣含量實驗的裝置圖

為了達到實驗目的，實驗選材需滿足以下要求：能在空氣中與氧氣發生反應且不消耗空氣中的其他成分；反應后不生成其他氣體；實驗中燃燒的紅磷需過量。

該實驗可以改進的地方有：紅磷在外部點燃后再伸進密閉集氣瓶，這樣做會污染空氣；伸入密閉集氣瓶中的導管只能起到吸水的作用，并未充分利用；實驗過程中，氣體受熱膨脹易將橡皮塞沖開，實驗裝置有炸裂的危險；若操作時間把握不準，提早打開開關，會使氣體外泄或者導管末端冒泡，影響實驗所得數據的準確性。

二、改進后的實驗裝置

空氣中氧氣含量測定儀如圖2、圖3所示，由適用于學生實驗的直流安全電源、發熱接頭、鐵架臺、自行設計與制作的紅磷反應玻璃容器等四部分組成。

圖2 裝置說明圖

圖3 空氣中氧氣含量測定儀實物圖

發熱接頭裝置如圖4所示，制作過程如下：

1.將兩根等長的銅線與燃燒匙插入橡膠塞中，確保塞緊，不漏氣；

2.將銅線一端連接直流安全電源，另一端緊連一根特制電阻絲，使銅絲兩端形成彎扣，另一根銅絲也按如上步驟操作；

3.將兩根銅絲連接電源的一端的電線系緊在彎扣上，并用電膠布包好，確保不漏電；

4.連接電阻絲的一端，需將電阻絲緊緊纏繞在彎扣上，并用老虎鉗夾緊，確保不脫落；

5.將電阻絲放在燃燒匙的正中央，整個發熱接頭伸入球形玻璃容器的中央部位，確保不靠近玻璃壁。

圖4 發熱接頭裝置

紅磷反應玻璃容器是我們畫圖設計后，送至四川省的一家玻璃廠定制的，在工廠現場制作模具后用玻璃原料一次性澆筑而成。球形玻璃容器的容積為200 mL，右側玻璃管外壁有刻度標識，用于記錄液面上升與下降的數值。設計時，球形玻璃容器與玻璃管連接部位順滑，確保了液體流動的順暢。

三、實驗過程

1.準備少量水，將其從玻璃彎管口灌入實驗裝置，再向水中添加少許高錳酸鉀粉末，使溶液呈紫色且不生成其他物質。將實驗裝置固定在鐵架臺上，檢查其氣密性。反應開始前的裝置如圖5所示。

圖5 反應開始前，右側玻璃管中的水位為初始刻度

2.打開電源開關，電阻絲發熱點燃紅磷，球形玻璃容器內的空氣受熱膨脹，右側玻璃管中的水位上升，如圖6所示。

圖6 球形玻璃容器內的空氣受熱膨脹，右側玻璃管中的水位上升

3.反應完成后關閉電源，右側玻璃管內水位緩慢下降。

4.待裝置冷卻后，對比右側玻璃管的初始刻度和最終刻度，即可計算出球形玻璃容器內紅磷燃燒時所消耗的氧氣占空氣的體積分數，最終刻度如圖7所示。

圖7 反應結束后，右側玻璃管中的水位為最終刻度

四、裝置改進效果

這款空氣中氧氣含量測定儀有以下優點。

1.科學環保

本裝置讓紅磷在密閉環境中燃燒，生成的五氧化二磷無法飄散，不僅環保，還保障了師生的身體健康，體現了以人為本的教學理念。

2.新穎獨特

本裝置結構簡單，制造成本低，并且裝置從測量、畫圖、設計模具、澆筑、風干成型，每一步都是我們自主設計完成的，具有創新性和獨特性。

3.安全無毒

紅磷在球形玻璃容器里有充足的燃燒空間，玻璃內壁不會因燃燒時受熱不均而炸裂。當紅磷燃燒時，球形玻璃容器內的空氣受熱膨脹，右側玻璃管中的水位會上升，有效避免了空氣膨脹帶來的安全隱患，不會出現教材實驗中橡膠塞被沖開、反應容器炸裂的危險。

4.效果直觀

使用本裝置，學生可直接觀察到紅磷燃燒時放出的大量白煙、氣體受熱膨脹的現象，加入了高錳酸鉀的紫色溶液能讓升降效果更直觀、有趣。

5.操作簡單

組裝好儀器后，教師只需開、關儀器，兩步便完成演示。操作極其簡單，解放了教師的雙手，讓教師有更多時間與學生互動。

6.結論明顯

玻璃管右側有刻度標尺，可以直接顯示氣體體積的變化，如氣體膨脹時可以讀取所膨脹的體積數，氧氣耗盡時可以讀取氧氣占空氣的體積數。

7.學科融合

本套裝置既包含了化學學科中物質燃燒、空氣中氧氣含量等知識，也包含了物理學科中氣體壓強、液體壓強、連通器、電流的熱效應等知識點，體現了學科融合的特點，對提升學生的綜合素養有很大幫助。