對(duì)“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)分析與改進(jìn)

林旺金 張惠嬌

摘要： 評(píng)析幾個(gè)不同版本教材中的空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，指出該實(shí)驗(yàn)在課堂演示操作中存在的問題。設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)實(shí)驗(yàn)方法、裝置及藥品進(jìn)行改進(jìn)。用白磷代替紅磷，把水改成滴有酚酞的氫氧化鈉溶液，用Y型試管和注射器代替原裝置，使實(shí)驗(yàn)測(cè)定過程在密閉系統(tǒng)中進(jìn)行，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率、安全性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定;白磷;Y型試管;實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

文章編號(hào)： 10056629（2018）3006203 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)比較分析

“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定”是初中化學(xué)教材中一個(gè)重要的定量演示實(shí)驗(yàn)。不同版本的初中化學(xué)教材，闡述的“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)方法基本相同，都是利用紅磷燃燒消耗集氣瓶中的氧氣，使集氣瓶?jī)?nèi)的壓強(qiáng)減小，從而使燒杯中的水沿著導(dǎo)管進(jìn)入集氣瓶，利用進(jìn)水的體積測(cè)算出氧氣約占空氣總體積的1/5。但不同版本的教材存在一定的差異，實(shí)驗(yàn)裝置分別如圖1～3所示。人教版教材是將集氣瓶?jī)?nèi)預(yù)先加入少量水，將液面上方的空間五等分 [1];粵教版教材要求用記號(hào)將集氣瓶容積五等分，根據(jù)圖示同樣在實(shí)驗(yàn)前加入少量的水 [2];滬教版教材直接將集氣瓶容積五等分，不要求預(yù)先加水 [3]。通過比較，筆者認(rèn)為： 以人教版的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例，實(shí)驗(yàn)前在集氣瓶?jī)?nèi)預(yù)先加入少量水可以防止熱的生成物濺落炸裂瓶底，吸收生成的五氧化二磷和燃燒放出的熱量，幫助裝置冷卻;實(shí)驗(yàn)將預(yù)先加水后的液面上方空間五等分，使最終測(cè)定結(jié)果更加直觀準(zhǔn)確。然而不同版本教材關(guān)于“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定”的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際課堂教學(xué)演示操作中都存在一些問題，需要有針對(duì)性地進(jìn)行分析，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的方法、裝置及藥品進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 人教版教材中“測(cè)定空氣中氧氣含量”的實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 粵教版教材中“測(cè)定空氣中氧氣含量”的實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 滬教版教材中“測(cè)定空氣中氧氣含量”的實(shí)驗(yàn)裝置

2 教材實(shí)驗(yàn)的問題

按圖1，往175mL的集氣瓶中裝滿水，并塞緊橡膠塞，然后打開橡膠塞，將集氣瓶?jī)?nèi)的水倒入500mL的量筒中，量得除橡膠塞外，集氣瓶?jī)?nèi)的容積為150mL，接著往集氣瓶?jī)?nèi)注入30mL水，標(biāo)出液面高度，繼而分四次每次量取24mL水陸續(xù)注入集氣瓶中，并標(biāo)出每次加水后的液面高度。檢查裝置的氣密性，給水平導(dǎo)管注滿水，夾緊止水夾，在容器外點(diǎn)燃紅磷后伸入175mL的集氣瓶中，蓋緊瓶塞，集氣瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生大量白煙，火焰很快熄滅，紅磷燃燒停止。待裝置冷卻至室溫，白煙消失，燃燒匙中還有紅磷剩余。打開止水夾，進(jìn)水量遠(yuǎn)小于空氣總體積的1/5，甚至無法進(jìn)水，實(shí)驗(yàn)效果很不理想，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程中還暴露出以下幾點(diǎn)問題：

（1） 紅磷燃燒放出大量的熱，容易將橡膠塞彈出。

（2） 水平導(dǎo)管內(nèi)要先裝滿水，操作難度大。

（3） 容器較大，消耗藥品較多，容易造成藥品浪費(fèi)。

（4） 實(shí)驗(yàn)時(shí)必須先在容器外點(diǎn)燃紅磷再伸入集氣瓶?jī)?nèi)，該過程中紅磷燃燒生成的有毒白煙（P 2O 5）擴(kuò)散到空氣中，污染環(huán)境，有害師生健康。

（5） 對(duì)集氣瓶刻度處理操作復(fù)雜，容積五等分很難精確把握，裝有燃燒著的紅磷的燃燒匙在伸入集氣瓶時(shí)，部分空氣受熱膨脹從集氣瓶口逸出，容易產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差。

（6） 容器內(nèi)外兩個(gè)液面高度之差造成的外界氣壓與容器內(nèi)的氣壓之差對(duì)氣體體積測(cè)定產(chǎn)生一定的影響。

（7） 裝置氣密性要求很高，而且紅磷燃燒很難完全消耗裝置內(nèi)的氧氣，實(shí)驗(yàn)很難成功。

（8） 裝置冷卻至室溫時(shí)間長(zhǎng)，且水為無色，能見度低，影響課堂教學(xué)效果。

按圖2和圖3的操作都有以上類似問題。

3 “空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

3.1 實(shí)驗(yàn)用品

Y型試管、打火機(jī)、酒精燈、鑷子、50mL注射器、鐵夾、鐵架臺(tái)、100mL量筒;白磷、酚酞溶液、氫氧化鈉溶液

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 檢查裝置的氣密性。

（2） 測(cè)量Y型試管（除橡膠塞）的容積，記為amL。

（3） 用注射器吸取一定量加有酚酞的氫氧化鈉溶液，并將針頭塞進(jìn)單孔橡膠塞中，讀取注射器活塞停留的刻度處bmL。

（4） 用鑷子取足量的白磷用濾紙吸干表面的水，放入Y型試管的一端，并迅速塞緊帶有注射器的橡膠塞。

（5） 將Y型試管固定在鐵架臺(tái)上，用酒精燈對(duì)裝有白磷的一端加熱。隨著白磷的燃燒，注射器內(nèi)的氫氧化鈉溶液慢慢流入Y型試管的另一端。

（6） 等白磷燃燒和緩慢氧化停止，旋轉(zhuǎn)Y型試管，使氫氧化鈉溶液進(jìn)入裝有白磷的一端，加速冷卻，待試管溫度降到室溫，觀察注射器活塞停留的刻度處cmL。

（7） 根據(jù)（b-c）mL/amL乘以100%求算空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

3.4 注意事項(xiàng)

（1） 測(cè)量Y型試管（除橡膠塞外）的容積時(shí)，注滿水塞緊橡膠塞后，應(yīng)標(biāo)出橡膠塞在Y型試管中最深處的記號(hào)，再將水倒入100mL的量筒內(nèi)，以便實(shí)驗(yàn)時(shí)確定橡膠塞的深度減少實(shí)驗(yàn)誤差。

（2） 用注射器吸取溶液時(shí)，應(yīng)保證注射器中的溶液沒有氣泡，可以采用少量多次的吸取方法;也可以快速吸取后將針頭朝上，把氣泡趕到針孔下端，推動(dòng)活塞，將氣體趕盡，靜置一段時(shí)間。

（3） 注射器連接Y型試管，與桌面所成夾角不得大于45°，防止注射器內(nèi)溶液因重力作用自然流下。

（4） 白磷燃燒前，已準(zhǔn)備好的無氣泡的氫氧化鈉溶液的體積必須大于10mL，以確?？梢酝耆畛浔幌牡难鯕怏w積。

（5） 加熱前，應(yīng)保證裝有白磷的Y型試管一端管口略傾斜向下，防止冷凝水倒流或?qū)嶒?yàn)過程中注射器內(nèi)溶液進(jìn)入時(shí)，使熱的Y型試管一端驟冷炸裂。

（6） 所取的白磷必須足量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室Y型試管中氧氣的體積為10mL，進(jìn)行計(jì)算所需白磷的用量大概為0.011g，意味著實(shí)驗(yàn)過程中所取的白磷必須要大于0.011g，確保把裝置內(nèi)氧氣完全消耗。

3.5 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的效果

實(shí)驗(yàn)前測(cè)得Y型試管（除橡膠塞）的容積為50mL，白磷燃燒后放出熱量，產(chǎn)生大量的白煙，注射器內(nèi)的紅色溶液進(jìn)入Y型試管中冷熱交換，2分鐘左右待裝置冷卻至室溫時(shí)，直接從注射器中讀取進(jìn)水量非常接近10mL，氧氣的體積分?jǐn)?shù)為10mL/50mL=1/5。實(shí)驗(yàn)環(huán)保、便捷、精確、耗時(shí)短、現(xiàn)象明顯。

3.6 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

（1） 裝置簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，無需給水平管注水，也不需要打開橡膠塞。

（2） 注射器始終傾斜向上，裝置密閉性好。

（3） 實(shí)驗(yàn)始終在密閉裝置中進(jìn)行，減少環(huán)境污染，減小實(shí)驗(yàn)誤差。

（4） 實(shí)驗(yàn)改用Y型試管，藥品需要量少，節(jié)約藥品，水進(jìn)入Y型試管中冷熱交換合理，避免Y型試管受熱驟冷而破裂。

（5） 將紅磷改為白磷，可以在短時(shí)間內(nèi)較完全地消耗裝置中的氧氣，提高了實(shí)驗(yàn)的精確度。

（6） 將水改成滴有酚酞的氫氧化鈉溶液，可以吸收白磷燃燒可能產(chǎn)生的氣體雜質(zhì)如CO 2、 SO 2等，排除可能出現(xiàn)的氣體干擾。滴有酚酞的氫氧化鈉紅色溶液使現(xiàn)象明顯直觀，用注射器代替燒杯，可見度高，可以直接觀察讀取進(jìn)水量，同時(shí)可以更好更快地吸收燃燒產(chǎn)生的有毒產(chǎn)物五氧化二磷，提高了課堂效率和安全性。

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的反思

對(duì)“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，是在一次次的失敗中得到提高和完善的。雖然改進(jìn)后，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)效果，提高了課堂實(shí)效，但是所選的改進(jìn)藥品白磷有劇毒，著火點(diǎn)低，如果環(huán)境溫度過高，很容易發(fā)生自燃;燃燒的產(chǎn)物五氧化二磷和氫氧化鈉溶液反應(yīng)后的產(chǎn)物依然有毒，氫氧化鈉溶液有腐蝕性，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后藥品處理仍存在一定的困難，因此只適合教師做課堂演示實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生自主探究。所以筆者認(rèn)為教師可以鼓勵(lì)學(xué)生在理解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，從生活出發(fā)，感悟生活，從生活中取材，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在不斷的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、反思中完善方法，提高學(xué)生的思維能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。比如： 可以利用一些裝置和熱帖（暖寶寶）中的藥品進(jìn)行實(shí)驗(yàn) [4]，操作簡(jiǎn)單，誤差較小，藥品安全容易處理，適合學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，把生活和課堂巧妙地融合在一起，趣味性強(qiáng)，有利于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

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