基于可視化的“空氣中氧氣含量測定”實驗的改進與擴展

化學是一門以實驗為基礎的學科，化學實驗是重要的組成部分，它不僅是洞察自然界的窗口，也是化學學習與科學探究的基本方式。本篇文章主要針對人教版“空氣中氧氣含量測定”的實驗進行改進，該實驗在教師演示過程中效果不佳，步驟繁雜，以及產物五氧化二磷會造成空氣污染。現以焦性沒食子酸的堿性溶液替代紅磷進行氧氣含量測定，可以彌補教材實驗的不足，且該實驗還遷移至常規氣體制備與噴泉現象相關的實驗。這符合新課標的要求，重視開展以化學實驗為主的多種探究活動，用以激發學生的學習興趣，培養他們的創新精神和實踐能力。

人教版的教材在九年級上冊出現有關于空氣中氧氣含量的測定的實驗，是初中第一個定量實驗，該實驗能引導學生初步了解測定混合物中某物質的一般思路和方法，從化學視角研究物質。本實驗的教學目標是通過設計實驗，從實驗現象中獲取證據，基于證據得出空氣中氧氣約占1/5體積的結論，進一步得出空氣是一種混合物。在教學過程中，教師引導學生觀察實驗現象，通過實驗現象，進一步感受像空氣這種無形的物質的存在，與此同時引入純凈物和混合物的概念，認識空氣的組成并進一步了解空氣的組成。

一、教材的實驗設計

（一）教材的裝置和原理

人教版中有關于圖1的實驗操作步驟如下：第一步：在大小合適的集氣瓶內加入少量水，并將水面上方做上標記空間分為5等份。用止水夾夾緊膠皮管，防止漏氣，在集氣瓶口把燃燒匙內的紅磷點燃后，迅速伸入集氣瓶中并把橡膠塞塞緊，防止漏氣，觀察集氣瓶內紅磷燃燒的現象并記錄。紅磷熄滅后等待其冷卻，打開止水夾，仔細觀察集氣瓶中的實驗現象以及水位的變化情況。由實驗現象可以得出結論：氧氣約占空氣體積的1/5，且空氣的組成不是只有氧氣，還有其他組成成分。

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圖1 測定空氣中氧氣含量的教材裝置

（二）教材實驗的不足

1.紅磷燃燒的產物五氧化二磷有毒，反應開始時需要在外部點燃紅磷再立即伸入瓶中，不可避免白煙逸出，污染空氣。具有毒性的白煙在被人體吸入一定量后就能引起中毒。此外，實驗的操作環境要求也比較高，需借助通風櫥來操作實驗，所以在教室演示實驗不方便，也不安全。有將紅磷改為白磷，并借助激光或放大鏡聚光引燃白磷的設計方案，但白磷的毒性更強，能自燃，現在大多實驗室都不采購，該方法不宜推廣。

2.燃燒結束后冷卻的時間較長，對于正常的教學秩序也會受影響。

3.實驗操作步驟不僅多而且雜，再者對裝置的氣密性要求高，裝置氣密性不好或操作不當都可能導致實驗失敗或產生較大誤差。

二、實驗改進

（一）實驗器材以及藥品

圖2為塑料洗瓶、橡膠管、玻璃導管、彈簧夾、燒杯、紙槽、焦性沒食子酸、氫氧化鈉溶液、蒸餾水等。

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圖2

（二）實驗原理

實驗利用焦性沒食子酸堿性溶液來吸收空氣中的氧氣，引起密閉容器內氣體壓強減小，燒杯中的水被吸入容器內，吸入水的體積等于消耗氧氣的體積。根據教材實驗裝置上對氣密性存在的不足，在裝置上尋找替代的裝置，在裝置上把常規的利用雙孔橡膠塞活塞塞緊于集氣瓶中用以測定空氣中氧氣含量的裝置替換成塑料材質的洗氣瓶，洗氣瓶都帶有尖嘴部分，可以直接與橡膠管連接，而洗氣瓶的螺旋紋的瓶塞口保證了裝置瓶口的氣密性。

（三）實驗過程

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圖3

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圖4

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圖5

（1）如圖3所示，往本身就有標記刻度的塑料洗瓶內加入約50 mL10％的氫氧化鈉溶液和約3 g的焦性沒食子酸粉末，關閉止水夾，蓋上瓶蓋并旋緊。

（2）如圖4所示，不斷振蕩塑料洗瓶，直至不再發生更大程度形變且等溶液冷卻到室溫時，將導管插入裝有不少于200 mL水的燒杯中。

（3）如圖5所示，打開止水夾，燒杯中的水吸入塑料洗瓶中，記錄液面上升的位置，根據進入的水的液面上升的體積計算相對于空氣體積的占比。

實驗數據處理：利用公式O2%=■×100%可估算出氧氣相對于空氣的占比。

（四）數據分析

實驗按照步驟進行操作，按順序加入約3 g焦性沒食子酸和50 mL10%的氫氧化鈉溶液，關閉止水夾以及旋緊塑料瓶塞，觀察讀數作為V1，此時可以得出裝置中的空氣含量為瓶身的總體積525 mL減去V1，下一步震蕩塑料瓶約為1分鐘后冷卻至室溫，打開止水夾，等液面上升到不再上升時觀察讀數，作為V2，此時可以通過V2-V1得出氧氣的體積，利用公式O2%=■×100%進行計算，實驗平行操作3次，最終取平均值。具體數值從表1可以看到每次的實驗數據都是接近21%，而且對于教師在課堂上進行讀數和計算都方便。

表1 實驗數據

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（五）焦性沒食子酸堿性溶液對氧氣的吸收率

試劑方面選用焦性沒食子酸用作藥品主要基于其在常溫下容易被氧化，特別是在堿性溶液中，對氧氣的吸收率很高。焦性沒食子酸是一種白色固體，易被氧化，也是一種多取代的芳基化合物，分子式為C6H6O3，常應用于制備金屬膠狀溶液，皮革著色，毛皮毛發等的染色，蝕刻等；并可用作電影膠片的顯影劑、紅外線照相熱敏劑；在醫療中以及染料使用制備過程中常被用作中間體以及分析用試劑等。在可視化的儀器選擇方面，優選傳感器技術來進行實驗過程中的實時觀測。在探究物質的性質及其變化的過程中經常遇到反應無明顯現象的情況，如吸收氧氣的過程、酸與堿的反應等，我們應該結合化學學科的發展趨勢揚長避短，結合現有的更新的現代技術進行課堂展示。現代科學希望在教學中能夠更加直觀地讓學生感知實驗過程中看不見摸不著的有關于氣體的吸收過程視覺化，所以我們準備使用傳感器。傳感器技術是一種與實驗以及科學相關的實用技術，為了進一步說明焦性沒食子酸對氧氣的吸收率，采用氧氣傳感器對氧氣含量進行檢測與實時監控數據變化。自動測量氧氣濃度需要一個完全集成的氧氣傳感系統，該系統通常是由一個探頭、一個控制器和計算機接口組成，操作過程中可以實時觀察到有關于氧氣濃度和時間的曲線變化。在這個過程中通過曲線上數據連續變化的測量，使實驗過程從看不見摸不著的觀察狀態變為可觀測的狀態。有了質的飛躍，從“定性”分析，走向“定量”分析。有關于以“空氣中氧氣含量測定”的實驗為教學主題的內容，進行可視化的傳感器技術的有效探究，有利于學生的發展，且能夠激發學生對實驗的興趣。利用這個手段進行定量分析，從側面說明此實驗準確率高的原因。為了使實驗結果簡明直觀，我們會以圖像的形式進行呈現，引導學生結合已有的經驗和將要經歷的社會生活來學習化學的原理和方法，形成化學學科的核心觀念。如圖6和圖7，圖6是氧氣傳感器在檢測塑料瓶中氧氣的含量的片段截取，橫坐標為時間，縱坐標為氧氣含量；圖7是3組平行數據中第1組最終氧氣含量的顯示數值。此過程中，學生可以直觀地看到氧氣濃度的下降，以及最終用焦性沒食子酸消耗氧氣的余量為1.3%。我們通過這個數值也可以知道焦性沒食子酸堿性溶液用來吸收空氣中的氧氣含量精確度高。

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圖6 圖7

（六）實驗拓展與遷移

1.本實驗的裝置氣密性良好可以作為常用氣體的制備，如氫氣、二氧化碳、氧氣等。

2.在洗氣瓶的內部安裝一根玻璃導管就可以改裝成噴泉實驗裝置，如圖8。

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圖8

三、本實驗改進的優點

（一）實驗裝置簡單、直觀

本實驗所需的實驗裝置是實驗室常見的儀器裝置，便于取用，不需要再進行復雜的加工和連接組裝。對老師來說操作起來方便而且可以反復使用，便于提高課堂效率；對學生來說也便于開展分組實驗，實驗的使用率會高。學生參與實驗的意識也會增強，利于激發興趣。

（二）實驗操作便捷

本實驗操作簡單，洗氣瓶本身自帶刻度，無需提前做標記，也無需加熱，更加節約能源，也不用考慮操作過程中燃燒匙伸入快或者慢的問題，只需加藥品后進行震蕩冷卻后即可進行讀數，得出數據以及結論，與此同時能為學生檢驗化學理論，驗證化學實驗提供實驗事實證據。

（三）實驗誤差小，更精準

實驗所利用的焦性沒食子酸對于氧氣的吸收率很高，放熱也少，恢復至室溫也快，在測定數據方面有很大的優勢，測得的數據誤差小，更精準，在教學過程中也便于分析。

（四）實驗的拓展應用范圍廣

塑料洗瓶耐酸耐堿，且帶螺旋紋的塑料塞讓整套裝置在使用過程中基本保持良好的氣密性，在常見氣體的制備中可以經常使用，也可改造成噴泉實驗，視覺上更為直觀，應用更為廣泛。

（作者單位：福建省廈門集美中學）

編輯：曾彥慧