數(shù)字實(shí)驗探究排水法和向上排空氣法收集氧氣濃度的不同

王璟 黃思國

【實(shí)驗背景】

氧氣的收集方法有兩種，分別是排水法和向上排空氣法。在課堂中，學(xué)生分別用兩種方法收集兩瓶氣體，并提出這兩種氣體有何不同。通過查閱資料，學(xué)生得出排水法收集的O2較為純凈，向上排空氣法收集的O2較為干燥。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生對兩瓶氣體的差異還是有極大的興趣的，為了驗證學(xué)生的結(jié)論，同時也為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，提高對化學(xué)學(xué)習(xí)的動力，我?；瘜W(xué)興趣小組的同學(xué)決定組織開展一次比較排水法和向上排空氣法收集氧氣的濃度有何不同的探究活動。

【實(shí)驗原理】

利用O2傳感器分別測量排水法和向上排空氣法收集的O2濃度變化數(shù)據(jù)，從而推斷兩種方法收集的O2純度情況。

利用濕度傳感器測量排水法和向上排空氣法收集的O2相對濕度變化數(shù)據(jù)，從而推斷兩種方法收集的O2干燥情況。

【實(shí)驗鋪墊】

[教師]

課堂上有的同學(xué)用排水法收集了一瓶氧氣，有的同學(xué)用向上排空氣法收集了一瓶氧氣，哪位同學(xué)說說兩種方法收集的氧氣有什么區(qū)別？

[學(xué)生1]

排水法收集的氧氣比向上排空氣法收集的氧氣濃度高。

[教師]

還有同學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充的嗎？

[學(xué)生2]

向上排空氣法收集的氧氣比排水法收集的氧氣更干燥，水蒸氣含量低。

[教師]

回答得非常好！那么有沒有同學(xué)可以設(shè)計一個實(shí)驗來驗證這兩位同學(xué)給出的結(jié)論。

（學(xué)生陷入深思……）

[教師]（介紹氧氣傳感器和濕度傳感器）

同學(xué)們，接下來我介紹兩種傳感器：

氧氣傳感器，可以測量氣體中氧氣的濃度。

濕度傳感器，可以測量氣體的相對濕度。

下面請大家根據(jù)老師提供的實(shí)驗器材和藥品，設(shè)計實(shí)驗方案并進(jìn)行驗證。

【實(shí)驗探究】

1.提出問題：排水法收集的O2和向上排空氣法收集的O2有什么不同？

2.猜想假設(shè)：（1）用排水法收集的O2濃度比向上排空氣法收集的O2濃度高。

（2）用排水法收集的O2水蒸氣含量比向上排空氣法收集的O2水蒸氣含量高。

3.進(jìn)行實(shí)驗

（1）實(shí)驗藥品和儀器：KMnO4、試管、單孔橡皮塞、導(dǎo)管、鐵架臺、集氣瓶、棉花、Logger Pro軟件、濕度傳感器、O2傳感器。

（2）設(shè)計實(shí)驗步驟，進(jìn)行實(shí)驗：

①打開Logger pro軟件，連接好濕度傳感器、O2傳感器。

②用KMnO4制取氧氣，并用向上排空氣法收集一瓶氧氣，收集的同時，將濕度傳感器、O2傳感器同時伸入集氣瓶中，觀察氧氣的濃度數(shù)值和相對濕度數(shù)值的變化，并記錄數(shù)值。

向上排空氣法收集氧氣的數(shù)據(jù)表

③用排水法收集一瓶氧氣，收集完畢后將濕度傳感器、O2傳感器同時伸入集氣瓶中，并記錄數(shù)值。

（3）實(shí)驗數(shù)據(jù)記錄

（4）解釋與結(jié)論：

[教師]

根據(jù)我們實(shí)驗的數(shù)值，說明了什么呢？

[學(xué)生1]

說明排水法收集的氧氣比向上排空氣法收集的氧氣濃度高，更純凈。

而向上排空氣法收集的氧氣水蒸氣含量比較少，更干燥。

[教師]

回答得非常好，還能說明什么呢？大家可以討論下。

（學(xué)生討論中……）

[學(xué)生2]

排水法和向上排空氣法都不能收集到100%濃度的氧氣。

[教師]

回答得太棒了，不過課后大家還可以再討論下，你還能得到什么結(jié)論？

【教師總結(jié)】

通過以上實(shí)驗，我們成功證明了用排水法收集的O2濃度比向上排空氣法收集的O2濃度高，用排水法收集的O2水蒸氣含量比向上排空氣法收集的O2水蒸氣含量高，基本完成了我們實(shí)驗的目的，同時也真正地感受到數(shù)字化實(shí)驗對我們化學(xué)實(shí)驗的創(chuàng)新起著非常重要的作用，當(dāng)然也希望同學(xué)們升入高中或者大學(xué)繼續(xù)向著自己的夢想去探究，去飛翔。

【實(shí)驗思考】

化學(xué)是一門以實(shí)驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，對剛開始接觸化學(xué)的初中學(xué)生而言，實(shí)驗是奇妙的，是能讓他們思維活躍、提高學(xué)習(xí)興趣的一種催化劑。因此教師應(yīng)該充分利用化學(xué)實(shí)驗去營造學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的土壤，提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

但是現(xiàn)階段課本的實(shí)驗有限，有時拓展的實(shí)驗又受到常規(guī)的手段限制，無法達(dá)到實(shí)驗?zāi)康?。而現(xiàn)在是數(shù)字化時代，數(shù)字化的基礎(chǔ)應(yīng)該盡可能地融入課堂的教學(xué)中來，成為學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的一種載體、一種工具。近幾年來，大量的創(chuàng)新實(shí)驗都用到了數(shù)字化實(shí)驗的各種傳感器，也確實(shí)體現(xiàn)了它的優(yōu)勢。比如本次探究的實(shí)驗，對于我們看不見摸不著的氣體如何比較濃度，如何比較水蒸氣含量，用常規(guī)的實(shí)驗手段感覺難以下手。而濕度傳感器、O2傳感器的使用，將如此復(fù)雜的問題卻又簡單地解決了，用兩組強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)直接說明了問題。數(shù)字化實(shí)驗開闊了學(xué)生的視野，也拓展了學(xué)生的知識面，因此我認(rèn)為隨著我國經(jīng)濟(jì)文化水平的不斷發(fā)展，數(shù)字化的儀器將很快走進(jìn)每個化學(xué)實(shí)驗室當(dāng)中去。

（作者單位：安徽省馬鞍山市第八中學(xué)）