排水法收集氧氣時機選擇的實驗探究

張章錄

摘要：以加熱高錳酸鉀制取氧氣為例，借助手持技術(shù)的數(shù)字化實驗手段證實了“氣泡連續(xù)、均勻冒出”時排出的氣體中氧氣濃度僅為28.7%左右。結(jié)合氧氣性質(zhì)的實驗，探討并確認了“氣泡連續(xù)、均勻冒出”后25秒左右才是排水法收集氧氣最適宜的時機。

關(guān)鍵詞：排水法；氧氣收集；時機選擇；實驗探究

文章編號：1005–6629（2015）7–0068–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

排水法收集氧氣由于其收集的氧氣濃度較排空氣法高，且實驗完成直觀可見，常是實驗室制取氧氣首選的集氣方法。對于排水法收集氧氣的具體操作細節(jié)教科書中雖然沒有作詳細的表述[1]，但在與教科書配套使用的教師教學指導書中有“為收集到較純的氧氣，要等導管口均勻冒出氣泡時才收集”[2]的表述。為此，將“氣泡連續(xù)、均勻冒出”作為開始收集氧氣最適宜的時機是公認的普遍做法，大家習慣性認為此時排出的氧氣已經(jīng)比較純凈。事實真的如此嗎？過去受實驗工具限制，這種做法的準確性并沒經(jīng)過具體的實驗論證，只是作為一個“經(jīng)驗性結(jié)論”沿續(xù)下來?，F(xiàn)在有了手持技術(shù)這一研究手段，其數(shù)字化的研究優(yōu)勢能夠為該結(jié)論的可靠性論證提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2 問題的研究

2.1 氧氣濃度的測定實驗

利用濃度傳感器測定“氣泡連續(xù)、均勻冒出”時氧氣的濃度，并通過數(shù)據(jù)采集器和計算機繪制濃度變化曲線，從而獲取實驗所需的相關(guān)數(shù)據(jù)。具體實驗過程如下。

采用加熱高錳酸鉀的方法產(chǎn)生氧氣，測定不同時刻從試管排出的氣體中氧氣的濃度，所用裝置和儀器如圖1所示（試管規(guī)格30×200mm；玻璃導管內(nèi)徑4mm，長度400mm）。

實驗過程中產(chǎn)生的氧氣通過一個倒置在水中的漏斗收集。加熱藥品的時間（預熱后對藥品集中加熱時開始計時）與對應排出氣體中氧氣濃度的數(shù)據(jù)通過與漏斗相連的傳感器進行測定，所得數(shù)據(jù)的圖像如圖2所示。

圖2顯示，反應過程中氧氣濃度的變化呈現(xiàn)四個主要時段：加熱初期，氧氣濃度逐漸增大（初始每秒增加0.1%，隨后為0.5%～1%）；接著快速增大（每秒遞增2%～3%）；然后又逐漸變緩（每秒增加0.5%～1%）；最后趨于穩(wěn)定。結(jié)合實驗過程觀察到每一時段氣泡冒出的情況，將相關(guān)信息歸納如表1所示。

從表1可以看出，在加熱藥品的第I時段后期（11～16s），氣泡已經(jīng)連續(xù)、均勻且快速冒出，但此時從試管中排出氣體中氧氣的濃度最多只有28.7%左右。為此，教材中“當氣泡連續(xù)、均勻冒出時表示排出的氧氣已經(jīng)比較純凈”的說法是不符合真實情況的。

2.2 不同時機收集氧氣的性質(zhì)實驗

氧氣濃度的測定實驗證明加熱高錳酸鉀制取氧氣時，當氣泡連續(xù)、均勻冒出時，從導氣管排出的氧氣還是不夠純凈的。當然這并不能說明此刻不能作為收集氧氣的時機，因為對于初中氧氣性質(zhì)實驗而言，氧氣濃度只需達到一定的數(shù)值，即滿足實驗要求即可。因此，此時收集的氧氣能否達到完成氧氣性質(zhì)實驗的濃度要求，成為判斷是否是收集氣體適宜時機的關(guān)鍵所在[3]。為此，又進行以下的實驗。

如表1所示，參照“氣泡連續(xù)、均勻冒出”時“加熱時間”的情況，選取第I時段中期（對藥品集中加熱后10秒左右，下稱“時機1”）、第II時段的初始期（對藥品集中加熱后15秒左右，下稱“時機2”）及第III時段的初始期（對藥品集中加熱后35秒左右，下稱“時機3”）這三個時間點為開始收集氧氣的時機進行實驗。

采用加熱高錳酸鉀的方法產(chǎn)生氧氣，按照所選擇的三個時機分別進行排水法收集氧氣的實驗，每個時機各進行4次收集氧氣的實驗（每次實驗所用的高錳酸鉀質(zhì)量相同、預熱時間保持相同），分別收集4瓶容積為150mL的氧氣（其中1瓶預留少量的水）。利用不同時機收集到的氧氣分別進行帶火星的木條復燃、木炭燃燒、蠟燭燃燒及鐵絲燃燒等實驗，記錄觀察到的實驗現(xiàn)象，具體情況如表2所示。

從實驗結(jié)果來看，“時機1”收集的氧氣能滿足帶火星木條復燃的實驗要求，只能基本達到蠟燭燃燒的實驗要求，而沒能達到木炭燃燒和鐵絲燃燒的實驗要求；“時機2”收集的氧氣雖然能完成所有的四個實驗，但木炭燃燒和鐵絲燃燒的實驗效果不理想；“時機3”收集的氧氣進行的四個實驗效果均很理想。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 排水法收集氧氣的適宜時機

縱觀選擇的三個時機收集氧氣進行實驗的效果來看，“時機3”即氣泡連續(xù)、均勻冒出后35秒左右收集的氧氣進行實驗的效果較為理想。根據(jù)氧氣濃度只需達到實驗要求這一原則，所以排水法收集氧氣的時機應以氧氣能否達到完成氧氣性質(zhì)實驗的濃度要求為標準，為此“時機3”可認為是排水法收集氧氣較為適宜的時機。

2.3.2 實驗結(jié)果實際應用的討論

在具體的制取實驗中，采用“時機3”作為排水法收集氧氣的起始時刻是較為合理的做法，但此時機不好把握，需要借助計時工具。而采用易于判斷的“時機1”收集到的氧氣卻基本不能達到實驗要求。根據(jù)已有的實驗經(jīng)驗，在“時機1”（即氣泡剛剛連續(xù)均勻冒出后）收集一瓶容積50mL的氧氣，一般需要30秒左右的時間，此時刻剛好與“時機3”的時間點基本一致，因此筆者認為在進行排水法收集氧氣的實驗時，可采用折中的做法進行收集氧氣適宜時機的判斷，即仍以“氣泡連續(xù)、均勻冒出”為氣體的收集起始時刻，收集滿一瓶50mL的氧氣（此瓶氧氣一般不用于實驗，主要起計時作用）后，方為收集氧氣的適宜時機。

2.3.3 有關(guān)實驗操作誤差的討論

在具體的實驗操作過程中，由于藥品堆放的方式、預熱的方式、試管的規(guī)格、導氣管的粗細長短、集中加熱的部位以及酒精燈火焰的大小等因素不盡相同，都可能使該實驗確定的三個不同時機所對應的時間存在一定的偏差。

3 結(jié)論

實驗表明，排水法收集氧氣時，當“氣泡連續(xù)、均勻冒出”，從試管中排出氣體中氧氣的濃度最多只有28.7%左右，此時進行收集的氣體不能滿足氧氣性質(zhì)實驗的基本要求，所以傳統(tǒng)的教學將“氣泡連續(xù)、均勻冒出”作為開始收集氧氣最適宜時機的做法是不符合真實情況的。只有在“氣泡連續(xù)、均勻冒出”后35秒左右再開始收集，得到的氣體進行氧氣性質(zhì)實驗的效果才較為理想。為此，將“氣泡連續(xù)、均勻冒出”后35秒左右確定為排水法收集氧氣的最適宜時機。

參考文獻：

[1]王祖浩主編.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2014：35.

[2]王祖浩主編.義務教育課程標準實驗教科書·化學教師教學指導書（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2006：35.

[3]鄭長龍.化學實驗課程與教學論[M].北京：高等教育出版社，2009：160.