基于浙教版初中科學(xué)“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)測定”實驗的改進(jìn)和思考

沈新穎

摘 要：“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測定”是義務(wù)教育初中階段一個重要的科學(xué)實驗，各地教材雖有不同，但主要是用紅磷在集氣瓶中燃燒消耗氧氣的方法來測定，實驗安全性和準(zhǔn)確性不高，實驗操作也較麻煩，不能滿足課堂實驗教學(xué)的需要。針對上述問題，前人已經(jīng)有很多改進(jìn)研究，雖然測量數(shù)據(jù)有明顯提高，但在操作性、安全性方面還存在一些不足。在前人實驗設(shè)計基礎(chǔ)之上對該實驗重新設(shè)計，借助玻璃注射器獨有的密封性、可伸縮性、可測性等特點，改用白磷直接在注射器內(nèi)燃燒來測定，實驗可操作性強，安全無污染，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：氧氣體積分?jǐn)?shù)；玻璃注射器；密封可伸縮性；安全準(zhǔn)確

一、教材實驗解析

（一）教材內(nèi)容

“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)測定”是浙教版科學(xué)八年級下冊第三章第一節(jié)《空氣》一課中的重要實驗，具體實驗活動過程如下：

1.按教材配圖（圖1）所示裝置，先在集氣瓶里加入少量水，再把剩余的容積用記號劃成5等分。

2.點燃燃燒匙內(nèi)的紅磷，立即塞緊瓶塞，觀察現(xiàn)象__________。

3.火焰熄滅后，震蕩集氣瓶，打開導(dǎo)管上的夾子，出現(xiàn)什么現(xiàn)象__________；瓶內(nèi)水位變化__________；消耗的氣體跟剩下的氣體體積比約為__________。

實驗說明：________。

（二）實驗分析

此實驗一般只做教師課堂演示，即便是教師演示實驗，還有好多實驗環(huán)節(jié)是教師在實驗過程中不易操作的，以及一些不可避免的因素，而出現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)有較大的偏差：

1.刻度劃分困難。由于集氣瓶內(nèi)部空間的不規(guī)則性，集氣瓶加入少量的水后，剩余容積5等分的劃分比較麻煩。在日常教學(xué)中，好多教師由于教學(xué)任務(wù)繁重，為節(jié)約時間都是憑感覺估計著進(jìn)行劃分，作為一個定量實驗，沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)標(biāo)注肯定是不科學(xué)的。當(dāng)然，要較為準(zhǔn)確標(biāo)注刻度則需要借助量筒來進(jìn)行，相對而言，這樣標(biāo)注刻度就比較耗時。

2.實驗時有污染且偏差大。集氣瓶外點燃紅磷，紅磷在空氣中燃燒會產(chǎn)生五氧化二磷，雖然量較少，但多少會污染教室空氣，帶來一定的安全隱患。實驗要求點燃后立即將紅磷移入集氣瓶，理論上是越快越好，但在實際操作過程中由于燃燒匙和橡膠塞、導(dǎo)管相連，總有些拖泥帶水，不夠快速，造成最終實驗數(shù)據(jù)偏差較大。

3.實驗中有安全隱患。在塞緊瓶塞時，特別是女教師在實驗過程中往往沒有控制好瓶塞松緊度，反應(yīng)開始階段，紅磷在瓶內(nèi)燃燒加熱空氣，空氣熱膨脹的體積大于燃燒消耗的氧氣體積，使瓶內(nèi)氣壓大于瓶外氣壓，會出現(xiàn)瓶塞彈出現(xiàn)象，加劇了實驗的危險性。同時在壓緊瓶塞下移的過程中，集氣瓶內(nèi)的空氣其實已經(jīng)被壓縮，對后續(xù)數(shù)據(jù)的測量也帶來了干擾。

4.其他影響數(shù)據(jù)測量的因素：玻璃導(dǎo)管中的空氣不能除去；導(dǎo)管液面高度不相同出現(xiàn)的壓力差等因素都會影響最終數(shù)據(jù)的測量。

（三）實驗方案探索

基于上述的一系列問題，前人也進(jìn)行了大量的實驗設(shè)計和改進(jìn)，通過資料查閱前人的實驗方案主要有以下一些：

1.方案一和方案二都是針對“快速塞緊瓶塞”這一環(huán)節(jié)不易操作進(jìn)行了改進(jìn)，紅磷燃燒在密閉的環(huán)境中進(jìn)行，有效避免了紅磷在空氣中燃燒帶來的污染，實驗后數(shù)據(jù)較改進(jìn)前有了很大的提高，但還是不能避免紅磷燃燒帶來的瓶內(nèi)氣壓增大帶來的安全隱患和其他細(xì)節(jié)中的數(shù)據(jù)影響。

2.方案三用注射器中的空氣替代了方案一中的水，可以有效避免水的壓力差帶來的數(shù)據(jù)影響，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。但在實際試驗過程中磷燃燒初期瓶內(nèi)氣壓增大，還是容易出現(xiàn)橡皮塞彈出等問題，且導(dǎo)管中仍有空氣干擾，安全性、準(zhǔn)備性還有待于進(jìn)一步提高。

（四）探索方案總結(jié)

綜合上述實驗方案設(shè)計，要簡單易操作且相對準(zhǔn)確測量空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，無非要做到以下幾個環(huán)節(jié)：

1.反應(yīng)裝置必須是密閉的，整個實驗過程都保持密閉狀態(tài)；

2.能快速反應(yīng)消耗氧氣，且反應(yīng)易于控制；

3.反應(yīng)裝置要具備密閉狀態(tài)下的可伸縮性，能避免氧化反應(yīng)過程中裝置內(nèi)氣壓變化帶來的安全隱患；

4.裝置本身最好具有數(shù)據(jù)讀取功能，方便直接讀數(shù)。

二、本實驗方案

借鑒前人的實驗設(shè)計，本人利用玻璃注射器巧妙解決了這一系列的問題，使實驗更加環(huán)保、安全，可操作性大大增強，實驗數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確，具體方案如下：

（一）實驗原理

本方案實驗原理與教材基本相同，只是將紅磷換成著火點更低的白磷。過量白磷在封閉的針筒內(nèi)充分燃燒，消耗了空氣中的氧氣，生成五氧化二磷固體。待充分反應(yīng)后冷卻，針筒內(nèi)氣壓減小，注射器活塞向內(nèi)運動，恢復(fù)室溫氣壓平衡后，減小的體積就是針筒內(nèi)消耗的氧氣的體積。比較消耗的氧氣的體積和針筒內(nèi)原有空氣的體積，從而計算出空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

（二）實驗器材

白磷、銅片（弧面、曲度與針筒內(nèi)壁相同）、玻璃注射器（100mL，標(biāo)準(zhǔn)4mm口徑）、大燒杯、水槽、鑷子、熱水、冷水等。

（三）實驗過程

1.取100mL玻璃注射器，去掉金屬針頭，將活塞取出放置在盛水的水槽中，針筒放置在托盤上。

2.用鑷子取略大于米粒的白磷（過量即可），用吸水紙將其表面的水分吸干后將白磷放置在弧形銅片的中央。用鑷子把裝有白磷的銅片推入針筒底端，使銅片與針筒壁能緊密貼合（便于吸熱和散熱）。

3.安裝密閉注射器。將活塞沾水（保證其良好的密閉性，同時能減小活塞移動時的阻力）推入針筒，使針筒內(nèi)的空氣體積保持在100mL，并用橡膠塞封堵注射口。密閉注射器后，將注射器固定在托盤支架上，活塞部位要留有空間，保證能正常移動。

4.用80℃左右的熱水緩慢沖淋白磷部位的針筒，針筒內(nèi)空氣溫度升高，受熱膨脹，推動活塞向外運動；白磷吸熱達(dá)到著火點被點燃，劇烈反應(yīng)加速空氣膨脹，繼續(xù)推動活塞向外運動。稍后，白磷充分燃燒消耗了針筒內(nèi)的全部氧氣，產(chǎn)生五氧化二磷固體，使針筒內(nèi)氣壓降低，活塞開始向內(nèi)運動。endprint

5.將注射器轉(zhuǎn)移到水槽上方固定，用冷水沖淋降溫。此時針筒中剩余氣體冷卻收縮，活塞繼續(xù)向內(nèi)運動，待活塞不再移動后記錄針筒內(nèi)剩余氣體的體積（約為80mL）。

6.數(shù)據(jù)分析和計算：針筒內(nèi)原有空氣體積100mL，充分反應(yīng)冷卻后體積80mL，說明反應(yīng)消耗掉的氧氣約為20mL，最終計算出空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)約是20%。

7.實驗器材的整理和廢物的無害化處理。

（四）實驗設(shè)計的優(yōu)點

1.該設(shè)計使用玻璃注射器，取材方便且其活塞可以自由伸縮，安全性高；針筒上標(biāo)注有刻度且材質(zhì)透明，演示實驗中實驗過程能安全直觀呈現(xiàn)給學(xué)生。

2.該設(shè)計中點燃白磷采用熱水沖淋加熱的方法，方便快捷、安全可控。實驗中的弧形銅片也起到了非常重要的作用：利用銅良好的導(dǎo)熱性，點燃前能快速吸收熱量，幫助升溫，點燃后能快速散失熱量，防止局部高溫炸裂針筒；較大的弧面還能防止燃燒的白磷飛濺到針筒壁，防止白磷高溫燃燒造成針筒破裂。多次的實驗證明，該方案安全可靠。

3.該套實驗裝置（玻璃注射器）活塞移動靈敏，刻度標(biāo)注準(zhǔn)確，通過多次的數(shù)據(jù)測量，測得的實驗數(shù)據(jù)都非常接近實際值。教師在演示實驗中，有一個比較準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)或成功的實驗，能為教師后續(xù)的教學(xué)過程提供理論依據(jù)，同時也為教學(xué)內(nèi)容的順利講解提供保障。

4.該設(shè)計實驗原理淺顯易懂，實驗用品廉價易得，實驗操作簡單安全，實驗現(xiàn)象直觀明顯，實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確易讀，因此特別適合在教師指導(dǎo)下的學(xué)生探究實驗之用，在化學(xué)啟蒙教育初期就可以用這樣的定量實驗來提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（五）實驗注意事項

1.注射器氣密性良好，必須是正規(guī)廠家生產(chǎn)的硬質(zhì)玻璃材料。

2.實驗過程中活塞要保證良好的自由收縮性，活塞必須干凈，無顆粒物附著；在移動過程中必要時要加水濕潤，保證更好的氣密性和潤滑性。

3.白磷屬于?；锲罚昧坎豢蛇^多，實驗后應(yīng)對殘渣進(jìn)行有效處理，確保安全，無污染。

三、實驗改進(jìn)的思考

“測定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)”的實驗活動，人教版九年級化學(xué)上冊第二單元課題1《空氣》和浙教版科學(xué)八年級下冊第三章第1節(jié)《空氣》中均采用的是紅磷在集氣瓶中燃燒消耗氧氣間接測量展開教學(xué)。雖然在實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性上有一定的偏差，但由于各種偏差原因的存在而使得這個普通的化學(xué)實驗變得“經(jīng)典”：首先，它給老師和學(xué)生帶來了充足的思考空間，并能利用已知的科學(xué)知識加以解釋和說明偏差的原因；其次，在分析原因的同時，也激發(fā)了學(xué)生的想象空間，學(xué)生不斷對原有實驗裝置進(jìn)行改進(jìn)，從而提高實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這也恰恰達(dá)到了教材實驗裝置設(shè)計的目的，提升了學(xué)生的思維和能力，培養(yǎng)了勇于探索科學(xué)的精神，真正體現(xiàn)了科學(xué)教學(xué)的目的。其實本人對上述實驗的改進(jìn)也是在學(xué)生質(zhì)疑和探索中得到的啟發(fā)，最終打破慣例在針筒中直接點燃白磷來測量空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

上述兩種教材所選擇的實驗方案更多關(guān)注學(xué)生思維的發(fā)散和拓展，而本人的實驗設(shè)計方案更多的只是關(guān)注數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。兩種實驗設(shè)計目的有所差異，所以本人的方案，用玻璃注射器來測量空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)無法取代教材實驗方案，它僅僅是對教材實驗的補充和延伸。

參考文獻(xiàn)：

[1]李德前.測定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)再改進(jìn)[J].化學(xué)教育，2010（6）.

[2]張欣榮，等.簡便準(zhǔn)確測定空氣中氧氣含量的方法[J].化學(xué)教育，2010（4）.endprint