“測定空氣中氧氣含量”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

摘 要：現(xiàn)行教材各版本對“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測定”這一實(shí)驗(yàn)，幾乎采用相同的設(shè)計(jì)方式，該裝置不乏許多優(yōu)點(diǎn)，但也有不少缺陷未能避免，如：實(shí)驗(yàn)操作要求高、產(chǎn)生誤差原因多等。在總結(jié)前人及教參的基礎(chǔ)上，通過多次實(shí)踐檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種更科學(xué)合理的裝置（見正文）。設(shè)計(jì)中，創(chuàng)造性地使用了量筒和注射器，在實(shí)驗(yàn)過程中可以快速方便地讀取數(shù)據(jù)；又用藍(lán)色CuSO4溶液替代水，不僅使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，同時(shí)還能化解剩余白磷的毒性，可謂一舉兩得。從分析教材實(shí)驗(yàn)入手，參照分析其他教學(xué)參考資料的改進(jìn)安排，并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)出具有一定創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；注射器；量筒；誤差?。画h(huán)保

一、教材中的實(shí)驗(yàn)分析

“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測定”這一實(shí)驗(yàn)，在其他教材中也有呈現(xiàn)，呈現(xiàn)在浙教版八年級科學(xué)下冊中，是分析空氣中氧氣的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。通過總結(jié)分析可以發(fā)現(xiàn)：基本采用如圖1裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)通過利用與氧氣燃燒的物質(zhì)，并且這一物質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生其他氣體，如白磷、紅磷等，利用氣體體積的減少，密封體系內(nèi)外壓強(qiáng)的變化測量空氣中氧氣的體積。

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在測定氧氣含量時(shí)存在著一個(gè)假設(shè)，即集氣瓶長度正比于集氣瓶體積，集氣瓶內(nèi)氣柱高度的變化完全是氧氣消耗導(dǎo)致（集氣瓶中所有氧氣被消耗），而且空氣是理想混合氣體，溫度和壓強(qiáng)不發(fā)生變化。該實(shí)驗(yàn)作為粗略測量空氣中氧氣含量，大致了解氧氣在空氣中所占比例有它合理之處，裝置設(shè)備簡單，現(xiàn)象也較為明顯，是個(gè)實(shí)用的實(shí)驗(yàn)。

若撇開教材其他內(nèi)容，單就“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測定”來說此實(shí)驗(yàn)還可作些改進(jìn)，圖1的實(shí)驗(yàn)存在著以下缺點(diǎn)。

1.做空氣中氧氣含量的測定實(shí)驗(yàn)時(shí)，燒杯中的水為什么會(huì)流入集氣瓶，且流入水的體積等于氣體減小的體積，這一問題學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)，理解不清楚，無法達(dá)到通過實(shí)驗(yàn)掌握課本相關(guān)知識(shí)的目的。

2.在實(shí)驗(yàn)的密封裝置中，我們可以看到里面有少量的水，但是實(shí)驗(yàn)中燒杯中的水又會(huì)倒流到密封系統(tǒng)中，這二者水的作用，學(xué)生不是很明確，水混合后也更加不容易分辨。

3.在紅磷或者白磷的燃燒中存在問題，首先燃燒需要加熱時(shí)間過長，操作不是很便捷，其次，在燃燒時(shí)燃燒物會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，在相對密封的空間中，短時(shí)間瓶內(nèi)的壓力過大，導(dǎo)致瓶塞被沖開，有一定的安全隱患。

4.燃燒結(jié)束后，將集氣瓶冷卻到室溫，需經(jīng)歷較長時(shí)間，不能高效利用寶貴的課堂時(shí)間。

5.由于集氣瓶口徑較大、沒有刻度，不能定量地反映出水進(jìn)入的多少，實(shí)驗(yàn)不夠精確。

另外，該設(shè)計(jì)還受到實(shí)驗(yàn)誤差過大的困擾：（1）空氣的體積測量不準(zhǔn)確。在實(shí)驗(yàn)中燃燒物后再放入集氣瓶中，這個(gè)過程，由于需要打開瓶口，會(huì)有一部分空氣溢出，導(dǎo)師實(shí)際空氣體積不準(zhǔn)確。當(dāng)冷卻到室溫，打開止水夾后，進(jìn)入集氣瓶內(nèi)的水可能會(huì)大于■體積。（2）實(shí)驗(yàn)中乳膠管和玻璃導(dǎo)管中有水殘留，不能全部進(jìn)入集氣瓶，會(huì)產(chǎn)生誤差。（3）我們從裝置可以看到，集氣瓶導(dǎo)管口與燒杯中的導(dǎo)管口的高低是不一樣的，這樣的結(jié)果也會(huì)影響水收集到集氣瓶中。（4）空氣中的氧氣濃度影響燃燒物燃燒度。實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)燃燒物無法燃盡，水流倒流不多的現(xiàn)象，致使實(shí)驗(yàn)失敗。做該實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)水面停在不足■處，原因就在于此。

二、其他一些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)案例

正是因?yàn)橛腥缟纤龅娜毕荩虆⒑推渌恍┵Y料介紹了對該實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的多種方法。

1.在《實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器》刊登了改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置。優(yōu)勢是設(shè)備簡單，容易操作，且采取了雙通管的方式，但是同樣也存在不少弊端，如同樣需要點(diǎn)燃后伸入紅磷，容易導(dǎo)致空氣外溢，影響測量。

2.在化學(xué)教學(xué)中也有對該實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的報(bào)道，改進(jìn)形式主要是直接將“集氣瓶中的空氣固定死，加熱采取加熱玻璃棒一段，引燃紅磷的形式”。實(shí)踐中，先“把集氣瓶底的少量水壓到燒杯中，稍后，集氣瓶中的氧氣被磷燃燒消耗，燒杯中的水又壓入集氣瓶中?！崩碚撋鲜强茖W(xué)的，實(shí)際上是可行的。但引燃白磷的操作難度很大，首先，加熱棒與燃燒物的接觸是個(gè)很大的問題，加熱過長，時(shí)間也就會(huì)過長，溫度過高的話，接觸燃燒物操作上就不容易了；加熱短，燃燒物也無法起到引燃的作用。還有，這一設(shè)計(jì)還是無法突破需要學(xué)生先理解大氣壓，再認(rèn)識(shí)發(fā)生水倒吸現(xiàn)象的難點(diǎn)。

中考試題也用到一些改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，可見該實(shí)驗(yàn)是比較典型的實(shí)驗(yàn)，受到大家廣泛的關(guān)注。

例：課外活動(dòng)小組的同學(xué)，用圖2所示的裝置粗略測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。該裝置的氣密性良好，活塞可左右滑動(dòng)，實(shí)驗(yàn)前活塞處在刻度10cm處。已知白磷在空氣中燃燒的最低溫度為40℃。

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回答下列問題：

（1）可觀察到玻璃管內(nèi)開始發(fā)生的現(xiàn)象是：白磷著火燃燒，活塞先向_______移動(dòng)（填“左”或“右”，下同），后向_____移動(dòng)。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，恢復(fù)到常溫后，活塞應(yīng)停在約_____（填整數(shù)）cm處。

三、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

既然該實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重要典型的實(shí)驗(yàn)，就值得深入的研究，筆者覺得：測定空氣中氧氣含量的方法有多種，但其原理只有一種，這就是利用足量的某物質(zhì)與密閉容器里空氣中的氧氣充分反應(yīng)，使容器內(nèi)壓強(qiáng)減小產(chǎn)生的現(xiàn)象，來確定空氣中氧氣的含量。具體實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意以下幾個(gè)方面：

（1）可用來反應(yīng)的物質(zhì)必須是易與氧氣反應(yīng)且沒有氣體生成的物質(zhì)（如紅磷），木炭、硫不能用作測定氧氣含量的反應(yīng)物。

（2）若所用液體不是水，而是堿溶液（如NaOH溶液），用碳、硫作反應(yīng)物在理論上是可行的，因?yàn)樯傻臍怏wCO2、SO2能與NaOH溶液反應(yīng)而被吸收，但誤差會(huì)比較大。

（3）所用來反應(yīng)的物質(zhì)必須足量或過量。

（4）容器的氣密性必須良好。

（5）反應(yīng)掉氧氣后，應(yīng)該使容器內(nèi)的溫度恢復(fù)到開始反應(yīng)前時(shí)的狀態(tài)，才能觀察現(xiàn)象測量數(shù)據(jù)。endprint

筆者基于以上的思考在前人研究的基礎(chǔ)上，通過不斷摸索查閱資料反復(fù)實(shí)踐，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種既易于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，又較為精確的實(shí)驗(yàn)方法。

1.實(shí)驗(yàn)器材

集氣瓶（125mL）一只，塞上橡皮塞實(shí)際容積約為150mL；3孔橡皮塞一個(gè)；50mL注射器一個(gè)（攜帶針頭）；玻璃導(dǎo)管2根（用橡膠管相連）；止水夾、燃燒匙各一個(gè)和100mL的量筒一只。實(shí)驗(yàn)藥品：足量的白磷和70℃的CuSO4溶液90mL。

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2.實(shí)驗(yàn)過程

（1）按如圖3所示裝置，連接儀器。

（2）檢查裝置的氣密性：松開止水夾，輕拉注射器活塞至35mL處（也可在任意刻度處），如果量筒中的溶液也恰好減少35mL，則說明裝置密封性良好。此時(shí)，教師可引導(dǎo)學(xué)生對“注射器中空氣的變化量和量筒中溶液的減少量兩者相等”這一關(guān)系進(jìn)行分析。經(jīng)此環(huán)節(jié)，學(xué)生能認(rèn)識(shí)到：在同等條件下，集氣瓶里減少多少體積的空氣，那么就有等體積的液體進(jìn)入集氣瓶，從而能使學(xué)生明晰該實(shí)驗(yàn)的物理原理。進(jìn)而，學(xué)生能推算出：量筒中減少的35mL CuSO4溶液中，約有5mL殘留在導(dǎo)管中（導(dǎo)管的橫截面積×導(dǎo)管在液面以上部分的長度），實(shí)際進(jìn)入集氣瓶內(nèi)的CuSO4溶液體積為35mL-5mL=30mL（見圖4），瓶內(nèi)空氣的體積是150mL-30mL=120ml。

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（3）夾緊止水夾（防止導(dǎo)管中液體流出），拔出橡皮塞，并將注射器的活塞推回到“0”刻度處，迅速在燃燒匙上裝上足量白磷（只需吸收白磷表面大部分水即可，以防自燃），然后立即把橡皮塞塞入集氣瓶，務(wù)必塞緊。

（4）集氣瓶內(nèi)CuSO4溶液的溫度較高，高于白磷的著火點(diǎn)，白磷馬上就被引燃，產(chǎn)生濃厚的白煙，并放出大量的熱。因此，該密閉系統(tǒng)內(nèi)氣壓急劇增大，注射器活塞會(huì)向上移動(dòng)（可緩沖驟然增大的氣壓，防止沖塞現(xiàn)象的發(fā)生）。反應(yīng)結(jié)束，瓶內(nèi)溫度降低，氣壓減小，活塞又會(huì)向下移動(dòng)至“0”刻度處。在冷卻過程中，教師應(yīng)抓住該有利時(shí)機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生分析本實(shí)驗(yàn)的化學(xué)原理。

（5）集氣瓶冷卻到燃燒前的溫度，約60℃時(shí)（可用粗略感知的方法：用手觸摸集氣瓶和量筒的玻璃外壁），松開止水夾，能觀察到：量筒中的CuSO4溶液倒吸入集氣瓶內(nèi)。最終可發(fā)現(xiàn)：量筒中所剩液體的體積為31mL，則第二次流入集氣瓶內(nèi)的CuSO4溶液是：55mL-31mL=24mL（如圖5所示）。由此可說明：集氣瓶內(nèi)減少的氣體體積為24mL，即瓶內(nèi)原有120mL空氣中，O2所占體積有24mL。這就不難算出，空氣中O2所占體積分?jǐn)?shù)是：24mL÷120mL×100%=20%。

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注意：松開止水夾時(shí)，溫度不能冷卻到室溫，集氣瓶內(nèi)的氣體狀態(tài)必須與燃燒前保持一致，不然，會(huì)使流入瓶內(nèi)的液體偏多，計(jì)算出的氧氣體積分?jǐn)?shù)將大于20%。

（6）輕輕振蕩集氣瓶，以使瓶內(nèi)的五氧化二磷完全被水吸收，反應(yīng)剩余的白磷也被硫酸銅溶液吸收。（相關(guān)的化學(xué)方程式如下：P2O5+3H2O=2H3PO4，11P4+60CuSO4+96H2O=20Cu3P+24H3PO4+60H2SO4）

（7）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，從右到左依次拆開裝置，清洗、整理實(shí)驗(yàn)儀器。

3.改進(jìn)意義

（1）改進(jìn)了空氣的溢出問題和燃燒物中煙霧的污染。這樣既能減少原來實(shí)驗(yàn)裝置溢出空氣的誤差，也不污染環(huán)境，具有環(huán)保意識(shí)，防止空氣污染。

（2）注射器和量筒搭配巧妙。這一改進(jìn)更加簡化了，實(shí)驗(yàn)將清晰顯示空氣里O2的體積。

同時(shí)，注射器和量筒都有精密的刻度，能直接讀出精確的數(shù)值，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。另外，注射器能在白磷燃燒時(shí)緩沖集氣瓶內(nèi)氣壓的驟然增大，從而能防止沖塞現(xiàn)象的發(fā)生，起到了較好的緩沖作用。

（3）在引燃燃燒物（白磷）方面設(shè)計(jì)巧妙。實(shí)驗(yàn)不僅方便操作，還環(huán)保，讓學(xué)生更加容易觀察。

總之，通過創(chuàng)新性地開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)裝置方面做了一些有益的改進(jìn)，讓實(shí)驗(yàn)更加精密，操作性更強(qiáng)；同時(shí)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中也培養(yǎng)了實(shí)驗(yàn)探索、創(chuàng)新精神，發(fā)展了學(xué)生思維。

參考文獻(xiàn)：

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[2]周愛婷.“空氣中氧氣含量的測定”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2014，31（1）：34-35.

作者簡介：楊彬，男，1982年9月出生，大學(xué)本科學(xué)歷，現(xiàn)就職單位：浙江省仙居縣官路鎮(zhèn)初中。endprint