對(duì)燃碳法“測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)”實(shí)驗(yàn)的質(zhì)疑與探究

周梅華+李德前

摘要：依據(jù)燃燒反應(yīng)相關(guān)知識(shí)，對(duì)比分析了燃碳法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的可行性；并借助數(shù)字傳感器技術(shù)，探究了燃碳法實(shí)驗(yàn)的可行性；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，燃碳法沒(méi)有燃磷法消耗氧氣徹底，并且生成無(wú)法吸收的一氧化碳?xì)怏w。本研究為科學(xué)測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)，有助于培養(yǎng)學(xué)生尊重事實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

關(guān)鍵詞：燃碳法；氧氣體積分?jǐn)?shù)測(cè)定；燃磷法；氣體傳感器

文章編號(hào)：1005–6629（2015）2–0048–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

從1956年以來(lái)，我國(guó)的初中化學(xué)教科書(shū)中大多采用燃磷法測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)[1]。該實(shí)驗(yàn)的化學(xué)原理是通過(guò)磷燃燒消耗密閉容器內(nèi)的氧氣，生成五氧化二磷固體，物理原理是“消耗的氧氣”與“替換氧氣的流體”發(fā)生等體積交換。

筆者發(fā)現(xiàn)，在某些有關(guān)“燃燒法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)”的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，出于實(shí)驗(yàn)的綠色化及實(shí)驗(yàn)的綜合性考慮，中考化學(xué)試題[2]以及有的教師設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案[3～5]，涉及使用木炭、蠟燭或棉花等含碳物質(zhì)代替磷（同時(shí)利用氫氧化鈉溶液吸收二氧化碳）。筆者借助有關(guān)的化學(xué)理論及燃燒學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，利用數(shù)字傳感器，對(duì)燃碳法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)此改進(jìn)方案不僅存在科學(xué)性問(wèn)題（違背了原實(shí)驗(yàn)的物理原理），而且人為地增大了實(shí)驗(yàn)的誤差。

1 理論探討

利用有關(guān)的化學(xué)理論及燃燒學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，筆者對(duì)含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒消耗氧氣、生成二氧化碳和一氧化碳等情況進(jìn)行理論分析。

1.1 對(duì)含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒消耗氧氣的問(wèn)題分析

利用燃燒法測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)時(shí)，集氣瓶里殘留的氧氣越少，實(shí)驗(yàn)結(jié)果越接近環(huán)境值（約21%）。但事實(shí)卻是任何可燃物在有限的空間里燃燒，當(dāng)氧氣濃度降低到一定的程度時(shí)，燃燒都會(huì)自行停止。

筆者從《物質(zhì)燃燒和性質(zhì)》、《消防安全技術(shù)》等專業(yè)書(shū)籍中，查到了一些可燃物燃燒需要的最低氧含量[6]（見(jiàn)表1）。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以看出，蠟燭、木炭、棉花在密閉的容器內(nèi)燃燒停止后，殘留氧氣的體積分?jǐn)?shù)分別高達(dá)14.0%、16.0%、8.0%。而白磷在密閉容器內(nèi)燃燒停止后，殘留氧氣的體積分?jǐn)?shù)僅為5.9%（耗氧更為徹底），這應(yīng)該是許多教科書(shū)中選用燃磷法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的主要原因。

1.2 對(duì)含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒生成二氧化碳、一氧化碳的問(wèn)題分析

在利用燃燒法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)中，燃燒的產(chǎn)物最好是固體，因?yàn)樯倭抗腆w所占的體積近乎為零，這樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果就比較準(zhǔn)確。如果燃燒的產(chǎn)物是氣體，該氣體必須容易被吸收，這樣實(shí)驗(yàn)的誤差才小。

含碳的物質(zhì)在氧氣充足的實(shí)驗(yàn)體系中燃燒時(shí)，主要生成二氧化碳?xì)怏w；若是在密閉的集氣瓶中燃燒，氧氣濃度會(huì)不斷變小，這就會(huì)生成一氧化碳?xì)怏w。

像足量的木炭在密閉的集氣瓶里燃燒時(shí)，當(dāng)

毋庸置疑，二氧化碳?xì)怏w容易被氫氧化鈉溶液吸收，而一氧化碳?xì)怏w在通常條件下無(wú)法被氫氧化鈉溶液吸收。

2 實(shí)驗(yàn)探究

借助于數(shù)字傳感器，筆者對(duì)含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒消耗氧氣、生成二氧化碳?xì)怏w和一氧化碳?xì)怏w等情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。

2.1 對(duì)含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒消耗氧氣的問(wèn)題探究

2.1.1 實(shí)驗(yàn)用品

主要是：木炭，蠟燭；500mL集氣瓶，配套的單孔橡皮塞，燃燒匙，氧氣濃度傳感器（量程為0～100%），TriE數(shù)據(jù)采集與分析軟件（傳感器及TriE軟件均由江蘇蘇威爾科技有限公司生產(chǎn)，下同）。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)操作

（1）取一個(gè)500mL集氣瓶（瓶口加橡皮塞后的實(shí)際容積約為600mL），然后在與集氣瓶配套的橡皮塞中插入一個(gè)燃燒匙。

（2）取足量的木炭放入燃燒匙中，在集氣瓶外引燃木炭后快速伸入集氣瓶?jī)?nèi)（見(jiàn)圖1），注意及時(shí)塞緊橡皮塞。

（3）燃燒結(jié)束，等到集氣瓶冷卻到室溫后，將集氣瓶反復(fù)顛倒幾次，以確保瓶?jī)?nèi)各種氣體混合均勻。

（4）校準(zhǔn)氧氣濃度傳感器，拔掉集氣瓶口上的橡皮塞，點(diǎn)擊傳感器“開(kāi)始”按鈕后，立即把傳感器的探頭伸入集氣瓶中部（注意集氣瓶口盡量封閉）；在傳感器示數(shù)穩(wěn)定后，點(diǎn)擊傳感器“停止”按鈕。此時(shí)，數(shù)據(jù)處理軟件能將氣體濃度的變化通過(guò)計(jì)算機(jī)真實(shí)地顯示出來(lái)。

說(shuō)明：在開(kāi)啟集氣瓶塞的一瞬間，瓶?jī)?nèi)的混合氣體會(huì)有少許逸出（因?yàn)檠鯕廪D(zhuǎn)化為一氧化碳?xì)怏w后體積會(huì)增加）；但是，由于我們所要測(cè)量的是混合氣體中某種氣體的體積分?jǐn)?shù)，因此少許混合氣體的逸出不影響我們需要的測(cè)量結(jié)果。

（5）將木炭換成蠟燭，重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)。

2.1.3 測(cè)量結(jié)果

蠟燭燃燒停止后，集氣瓶里殘留氧氣的體積分?jǐn)?shù)約是16.7%（圖2曲線A）；木炭燃燒停止后，集氣瓶里殘留氧氣的體積分?jǐn)?shù)約是14.2%（圖2曲線B），這與表1中的理論值基本一致。

若使用燃磷法，集氣瓶里氧氣的殘留量約為5.0%[8]——這是蘇州工業(yè)園區(qū)的章永軍老師利用數(shù)字傳感器在2011年測(cè)量出來(lái)的，該數(shù)據(jù)與表1中的理論值也是一致的。

2.2 對(duì)含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒生成二氧化碳、一氧化碳的問(wèn)題探究

2.2.1 實(shí)驗(yàn)用品

主要是：木炭，蠟燭；500mL集氣瓶，配套的單孔橡皮塞，燃燒匙，二氧化碳濃度傳感器（量程是0～100000ppm），一氧化碳濃度傳感器（量程是0～500ppm），TriE數(shù)據(jù)采集與分析軟件。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)操作

（1）仍使用圖1實(shí)驗(yàn)裝置，把氧氣濃度傳感器分別更換為二氧化碳濃度傳感器、一氧化碳濃度傳感器，測(cè)量蠟燭在密閉的集氣瓶里燃燒停止后，生成的二氧化碳?xì)怏w和一氧化碳?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)（操作流程同2.1.2）。

（2）將蠟燭換成木炭，再重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)。

2.2.3 測(cè)量結(jié)果

蠟燭在密閉的集氣瓶里燃燒停止后，集氣瓶里二氧化碳?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)約是3.88%（圖3曲線B），一氧化碳?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)約是100ppm（圖4曲線B）。

3 研究結(jié)論

不管是理論探討，還是實(shí)驗(yàn)探究，本研究的結(jié)論具有高度的一致性。

3.1 含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒消耗氧氣很不徹底

在密閉的集氣瓶中含碳物質(zhì)燃燒消耗氧氣很不徹底（剩余氧氣的體積分?jǐn)?shù)高達(dá)15%左右），遠(yuǎn)沒(méi)有磷燃燒耗氧徹底（剩余氧氣的體積分?jǐn)?shù)在5%左右）。

同時(shí)，上述研究也表明“集氣瓶里殘留氧氣”是燃燒法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)無(wú)法消除的誤差（但這個(gè)無(wú)法消除的誤差是合理的）。

3.2 含碳物質(zhì)在密閉容器內(nèi)燃燒產(chǎn)生了難以吸收的一氧化碳?xì)怏w

含碳物質(zhì)在密閉的集氣瓶?jī)?nèi)燃燒不僅生成二氧化碳?xì)怏w，還產(chǎn)生一些一氧化碳?xì)怏w（其體積分?jǐn)?shù)在2%左右）；由于一氧化碳?xì)怏w在通常條件下無(wú)法被吸收，因此使用燃碳法測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，不僅人為地增加了實(shí)驗(yàn)誤差，尤其存在科學(xué)性問(wèn)題——“消耗的氧氣”與“替換氧氣的流體”不能等體積交換。

但為什么不少的燃碳法實(shí)驗(yàn)還測(cè)出氧氣體積分?jǐn)?shù)是20%呢？這是因?yàn)椤凹瘹馄靠诘拿芊饷黠@滯后于含碳物質(zhì)在集氣瓶里的燃燒，造成了氣體外逸”；“氣體逸出集氣瓶”屬于本實(shí)驗(yàn)的正誤差，“集氣瓶里殘留氧氣、產(chǎn)生無(wú)法吸收的一氧化碳?xì)怏w”屬于本實(shí)驗(yàn)的負(fù)誤差，正負(fù)誤差的抵消，使部分實(shí)驗(yàn)者獲得了貌似正常的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 有關(guān)建議

使用燃磷法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)，不僅實(shí)驗(yàn)原理符合科學(xué)性，而且耗氧較徹底，但傳統(tǒng)的操作方法會(huì)造成一定的污染（這個(gè)問(wèn)題在一定程度上是可以改進(jìn)的[9]）。使用燃碳法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)，既耗氧不徹底，又產(chǎn)生了難以吸收的一氧化碳?xì)怏w，所以，不能使用燃碳法測(cè)定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。若要改進(jìn)“燃燒法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)”的實(shí)驗(yàn)，只能在實(shí)驗(yàn)裝置、操作方法和實(shí)驗(yàn)手段上進(jìn)行創(chuàng)新（如集氣瓶密閉后再引燃磷、改用注射器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等），但耗氧物仍應(yīng)使用白磷或紅磷。另外，在涉及“燃燒法測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)”的實(shí)驗(yàn)論文、實(shí)驗(yàn)試題時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果務(wù)必尊重事實(shí)——不管使用哪種可燃物、操作如何規(guī)范，都不可能得出與環(huán)境值一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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