測(cè)定空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陸春華

現(xiàn)行的人教版《化學(xué)(九年級(jí))》教材中測(cè)定空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)[1](如圖1所示)是九年級(jí)化學(xué)中一個(gè)非常經(jīng)典的演示實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)盡管操作簡(jiǎn)單，但也存在著以下不足之處。

圖1 測(cè)定空氣中氧氣含量

(1)由于紅磷是在集氣瓶外引燃的，無(wú)論教師動(dòng)作多么迅速，但仍有瓶?jī)?nèi)部分空氣受熱而事先逸出瓶外，最終導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠精確[2]。

(2)在點(diǎn)燃紅磷時(shí)，在瓶外產(chǎn)生的白煙污染了環(huán)境，尤其是對(duì)講臺(tái)周?chē)膶W(xué)生影響很大。

(3)有些教師為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，追求燃燒匙插入集氣瓶中的速度，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)紅磷熄滅的現(xiàn)象[3]。

為了完善教材實(shí)驗(yàn)，使得實(shí)驗(yàn)更加精確、科學(xué)、綠色環(huán)保，筆者借鑒其他教師的一些想法和做法，先列舉4種改進(jìn)方法，并對(duì)其進(jìn)行反思，旨在“拋磚引玉”。

一、新方案一

1.實(shí)驗(yàn)材料

一只大燒杯(500 mL)、暖寶寶鐵粉、用礦泉水瓶底制作而成的約2.5 cm高的塑料盒、高錳酸鉀、白磷、鑷子、塑料膠管(用502膠水把一根塑料膠管粘在燒杯的內(nèi)壁，內(nèi)壁上的塑料膠管口與500 mL刻度保持水平，塑料膠管從燒杯的尖嘴部位伸出燒杯外約10 cm，便于調(diào)節(jié)水位時(shí)排出空氣)、水槽、3根立柱(粘在水槽中)、立柱高度為燒杯倒置于立柱上時(shí)，燒杯中的500 mL刻度正好與水槽邊緣保持水平或稍高。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)在水槽中放入適量的水，加入少許高錳酸鉀。

(2)用剪刀把礦泉水瓶底剪成塑料盒，放在水面上，在塑料盒里倒入約2 cm厚的暖寶寶鐵粉(鋪撒均勻)。

(3)用鑷子夾取一小塊白磷放在暖寶寶鐵粉的中間部位(注意：當(dāng)溫度高于15 ℃時(shí)，不能用濾紙去吸白磷表面的水分，否則，白磷很容易發(fā)生自燃；當(dāng)溫度低于15 ℃時(shí)，一定要吸干白磷表面的水分，否則，白磷燃燒時(shí)產(chǎn)生的火焰顏色不一定能觀察到)。

(4)保持塑料膠管外側(cè)與外界空氣相通，把燒杯倒置于水中，當(dāng)水從燒杯中流進(jìn)塑料膠管形成液封時(shí)，燒杯內(nèi)的水位剛好處于500 mL刻度處(如圖2所示)。

圖2 調(diào)節(jié)水位

(5)把塑料膠管放進(jìn)水里，把燒杯稍稍上提，把燒杯倒置于3根立柱上(如圖3所示)。

圖3 固定儀器

(6)白磷迅速燃燒，發(fā)出黃色火焰，產(chǎn)生的白煙在燒杯中不斷翻滾，燒杯中的液面先立刻下降，后又慢慢上升。

(7)約6 min后，液面上升至400 mL刻度處不再改變，則說(shuō)明氧氣約占空氣總體積的1/5。

此方案裝置氣密性好，現(xiàn)象十分明顯，鐵粉與白磷的組合氧化產(chǎn)生的熱量迅速被燒杯的內(nèi)壁和水吸收，冷卻速度快，6～7 min便可完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的白煙直接被水吸收，不污染環(huán)境。

二、新方案二

1.實(shí)驗(yàn)材料

測(cè)氣瓶、鋼絲、電熱絲、石棉布、導(dǎo)管、儲(chǔ)液瓶、直尺、止水夾等。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)如圖4所示，用直尺把測(cè)氣瓶Ⅰ的體積劃分為五等份，用2根鋼絲制成定位桿，在定位桿上分別安裝兩對(duì)能上下移動(dòng)的螺帽，固定兩根長(zhǎng)度均為1 cm并聯(lián)成圓形的螺旋狀。

圖4 測(cè)定空氣中的氧氣含量

電熱絲(約15圈，每根300 W)為骨架，在距離測(cè)氣瓶Ⅰ底部1/5～2/5的中上方，把石棉布放在電熱絲的上面并做成凹型的燃燒匙。

(2)把導(dǎo)管Ⅱ的一端浸沒(méi)在儲(chǔ)液瓶Ⅲ底約1/4高的位置，導(dǎo)管Ⅱ的另一端插入測(cè)氣瓶Ⅰ(導(dǎo)管Ⅱ口離瓶底1/5～2/5的中下方)，并在儲(chǔ)液瓶Ⅲ中裝滿一瓶5%的硫酸銅溶液。

(3)打開(kāi)止水夾，連接12 V的電源，如果電熱絲紅熱且在儲(chǔ)液瓶Ⅲ里的導(dǎo)管口冒出氣泡，切斷電源，電熱絲慢慢冷卻，在儲(chǔ)液瓶Ⅲ一側(cè)的導(dǎo)管Ⅱ中形成一段水柱，且液面不下降，則說(shuō)明裝置氣密性良好。

(4)把足量的紅磷放入石棉燃燒匙中，稍稍壓緊。

(5)連接12 V的電源，電熱絲迅速紅熱，剛開(kāi)始只有少量的白煙從石棉燃燒匙里緩緩上升并迅速散開(kāi)，在測(cè)氣瓶Ⅰ頂端受阻后，又沿著測(cè)氣瓶Ⅰ內(nèi)壁逐漸沉至瓶底，形成像雨傘狀的“白煙傘”，再過(guò)一會(huì)兒，“白煙傘”慢慢變得濃厚，最后整個(gè)測(cè)氣瓶Ⅰ中充滿了白煙。

(6)當(dāng)測(cè)氣瓶Ⅰ中上部有少量黃煙(生成的黃磷)出現(xiàn)時(shí)，關(guān)閉電源。

(7)當(dāng)測(cè)氣瓶Ⅰ恢復(fù)至室溫時(shí)，打開(kāi)止水夾，測(cè)氣瓶Ⅰ中吸入約1/5體積的有色液體且顏色慢慢變淺。

(8)把倒吸入測(cè)氣瓶Ⅰ中的液體沿測(cè)氣瓶Ⅰ內(nèi)壁四周潤(rùn)洗，當(dāng)液體顏色快要褪去時(shí)，打開(kāi)瓶塞，發(fā)現(xiàn)瓶口沒(méi)有白煙和白霧，即說(shuō)明測(cè)氣瓶Ⅰ中的污染物被徹底消除于污染源(即測(cè)氣瓶Ⅰ內(nèi))。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程現(xiàn)象十分明顯，實(shí)驗(yàn)中使用到的電熱絲電阻小，12 V的電壓可以使電阻絲迅速紅熱，十分安全，實(shí)驗(yàn)在密閉系統(tǒng)中完成，避免了環(huán)境污染，保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性，此外，實(shí)驗(yàn)中采用的“定位桿”“可移動(dòng)的電熱石棉燃燒匙”是實(shí)驗(yàn)成功的有力保證，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師只需按一下電鈕，反應(yīng)結(jié)束后，打開(kāi)止水夾，操作完成，大大縮短了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。

三、新方案三

1.實(shí)驗(yàn)材料

2支50 mL的注射器、帶鐵夾的鐵架臺(tái)、銅粉、大試管(或具支試管)、橡皮塞、乳膠管、量筒、酒精燈等。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)按圖5、圖6所示裝置連接儀器(先不要裝藥品)，其中圖5通過(guò)乳膠管裝上注射器1(乳膠管長(zhǎng)度以恰好把具支試管和注射器口部連接在一起為準(zhǔn))，排除注射器1中的空氣，注射器2中保留有一定量的空氣，然后都插進(jìn)橡皮塞中(如圖6所示)，緩緩?fù)苿?dòng)注射器2中的活塞一小段距離后把手松開(kāi)，如果注射器1的活塞可以緩緩后退到相同的刻度，即說(shuō)明裝置氣密性良好。

圖5 測(cè)定空氣中氧氣含量(以具支試管為反應(yīng)容器)

圖6 測(cè)定空氣中氧氣含量(以試管為反應(yīng)容器)

(2)在圖5中的具支試管(圖6中的大試管)中裝入足量的銅粉，使其均勻地鋪撒在試管的底部，塞緊橡皮塞，推動(dòng)注射器2中的活塞，并留有一定量的氣體(大于反應(yīng)前空氣總體積的1/5)，記錄數(shù)據(jù)：Va=40 mL，插入橡皮塞中，根據(jù)酒精燈火焰的高度，把試管固定在鐵架臺(tái)上。

(3)對(duì)銅粉部位進(jìn)行加熱，并反復(fù)來(lái)回推拉兩支注射器的活塞，使銅粉與氧氣充分反應(yīng)。

(4)熄滅酒精燈，待試管冷卻至室溫，把注射器1中氣體全部推進(jìn)試管中，等注射器2中的活塞不再發(fā)生改變時(shí)，記錄圖5中的注射器2剩余氣體體積Vb=5.8 mL(圖6中注射器2剩余氣體體積Vb=5.8 mL)。

(5)實(shí)驗(yàn)完成后，洗滌儀器，把具支試管或大試管裝滿水，并塞緊橡皮塞，再把試管中的水全部倒入量筒中，量出圖5中具支試管在塞上橡皮塞的情況下的體積Vc=123.9 mL(圖6中大試管塞上橡皮塞的情況下體積Vc=124.0 mL)。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

(1)圖5中氧氣的體積計(jì)算

理論值：

V=(Va+Vc)×21%=(40 mL+123.9 mL)×21%=34.4 mL

實(shí)驗(yàn)測(cè)得：

V=Va-Vb=40 mL-5.8 mL=34.2 mL

所以空氣里氧氣的體積分?jǐn)?shù)為：

34.2mL/163.9 mL×100%=20.87%

(2)圖6中氧氣的體積計(jì)算

理論值：

V=(Va+Vc)×21%=(40 mL +124.0 mL)×21%=34.4 mL

實(shí)驗(yàn)測(cè)得：

V=Va-Vb=40 mL-5.8 mL=34.2 mL

所以空氣里氧氣的體積分?jǐn)?shù)為：

34.2mL/164.0 mL×100%=20.85%

該實(shí)驗(yàn)裝置始終都處于密閉狀態(tài)，確保了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，通過(guò)推拉注射器活塞和對(duì)酒精燈的加熱，確保了鐵粉和氧氣充分反應(yīng)，直至氧氣基本耗盡，此外，利用注射器的刻度代替了“水”的體積，確保了實(shí)驗(yàn)更為精確、嚴(yán)謹(jǐn)，同時(shí)也增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性、可操作性和可觀察性，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用藥品的量很少，實(shí)驗(yàn)的連貫性強(qiáng)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可對(duì)比性，熱水可以吸收產(chǎn)生的白煙，避免了環(huán)境污染。

四、新方案四

1.實(shí)驗(yàn)材料

刻度尺、玻璃打孔器、大試管、燃燒匙、大燒杯、鐵架臺(tái)、鐵夾、橡皮塞、白磷、沙子、銅絲、鐵鉗、凡士林等[7]。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)取一大試管，用玻璃打孔器在其底部打一小孔，按圖7所示裝置連接儀器，并檢查裝置的氣密性。

圖7 測(cè)定空氣中氧氣含量

(2)從裝置上拔出橡皮塞，向燃燒匙中加入少量的沙子，用鐵鉗把銅絲擰成螺旋狀，然后把銅絲的下端放在酒精燈火焰上加熱至發(fā)紅，再向燃燒匙內(nèi)的沙子上面放一小塊白磷(足量)，立即塞緊橡皮塞。

(3)上移試管至試管內(nèi)液面和燒杯中液面保持齊平，并迅速用刻度尺量出消耗掉的空氣長(zhǎng)度(由于試管中盛有氣體的中間部位上下內(nèi)徑相同，所以消耗掉的空氣的量可以用試管中氣體的長(zhǎng)度來(lái)表示)，記為X(cm)。

(4)按下銅絲，使其與白磷接觸，白磷燃燒產(chǎn)生大量的白煙，試管中的液面先迅速下降少許，后又緩緩上升，燒杯中的液面下降。

(5)等白煙完全消失，試管內(nèi)恢復(fù)至室溫時(shí)，下移試管至試管中的液面與燒杯中液面齊平，用刻度尺測(cè)出氣體的量，記為Y(cm)。

(6)氧氣的含量=(X-Y)/X ×100%。

2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

五、結(jié)語(yǔ)

此方案結(jié)合了初中物理學(xué)中金屬的熱導(dǎo)原理，是一個(gè)非常好的理科綜合實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，開(kāi)拓了學(xué)生的視野，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的遷移運(yùn)用能力，燃燒匙鐵柄上涂有的凡士林便于下插燃燒匙時(shí)減小摩擦力，整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)象明顯，避免了環(huán)境污染，實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行多次，取平均值，結(jié)果相對(duì)更為精確。