巧用洗氣裝置探究人體吸入空氣和呼出氣體的差異

江蘇省南通市虹橋二中(226006) 葛德新

對(duì)人體吸入空氣和呼出氣體的探究是人教版化學(xué)教材9年級(jí)第1單元課題2的第2個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，是學(xué)生第一次學(xué)習(xí)用控制變量的方法來(lái)設(shè)計(jì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)今后化學(xué)學(xué)習(xí)起著很好的引領(lǐng)作用。但其中用于比較兩種氣體中氧氣含量的實(shí)驗(yàn)在操作時(shí)存在一些不確定的因素，實(shí)踐證明，燃著的木條有時(shí)火焰較大，在敞口的集氣瓶?jī)?nèi)往往較難熄滅，而蠟燭火焰大小容易控制且比較穩(wěn)定，用來(lái)代替木條效果極佳；另外，由于呼出氣體中二氧化碳含量是空氣中的100多倍，二氧化碳本身也能使燃著的木條熄滅，對(duì)氧氣含量的比較有干擾作用，不少學(xué)生在復(fù)習(xí)期間往往會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為，用燃著的木條分別伸入裝有吸入空氣和呼出氣體的2個(gè)集氣瓶?jī)?nèi)是用來(lái)比較二氧化碳含量的。因此，從控制變量的角度來(lái)理解，若用燃著的木條或蠟燭來(lái)比較兩種氣體中氧氣含量，應(yīng)先除去兩瓶氣體中的二氧化碳再來(lái)比較，才更科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)。此外，將等量的兩種氣體分別通入等量的澄清石灰水中來(lái)比較二氧化碳含量，避免了用排水法收集呼出氣體時(shí)，部分二氧化碳溶于水的可能，從而與后續(xù)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室收集二氧化碳不能用排水法收集產(chǎn)生沖突，也是對(duì)課本控制變量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)很好補(bǔ)充。用洗氣裝置和單向閥門(mén)巧妙結(jié)合，則能很好地解決以上難題，還能更科學(xué)地比較兩種氣體中水蒸氣的含量。

1 實(shí)驗(yàn)用品

吸濾瓶2個(gè)、單向閥3個(gè)、T型管、膠皮管、具支試管(配單孔橡皮塞)、導(dǎo)管、自制對(duì)比裝置(蠟燭2支并固定于木板上)、濃氫氧化鈉溶液、澄清石灰水。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

探究實(shí)驗(yàn)1：比較人體吸入空氣與呼出氣體中氧氣的含量。

如圖1所示，先吸氣，讓空氣由左端導(dǎo)管口通入左洗氣瓶?jī)?nèi)，由Y型管左側(cè)進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)，再呼氣，呼出氣體由Y型管右側(cè)進(jìn)入右洗氣瓶?jī)?nèi)，由于兩瓶?jī)?nèi)均裝有濃氫氧化鈉溶液，故經(jīng)過(guò)幾次等時(shí)間、等力度的吸氣和呼氣后，左右兩洗氣瓶?jī)?nèi)分別充滿不含二氧化碳的空氣和呼出氣體。

如圖2所示，點(diǎn)燃自制裝置上的兩支蠟燭，調(diào)節(jié)火焰使大小基本一致，先取下兩個(gè)洗氣瓶的瓶塞，再將兩支蠟燭同時(shí)伸入洗氣瓶?jī)?nèi)，可見(jiàn)在呼出氣體瓶?jī)?nèi)的蠟燭最先熄滅，而在吸入空氣瓶?jī)?nèi)的蠟燭后熄滅，充分說(shuō)明呼出氣體中的氧氣含量要比空氣中的低。

探究實(shí)驗(yàn)2：比較人體吸入空氣與呼出氣體中二氧化碳的含量。

如圖3所示，兩個(gè)洗氣瓶?jī)?nèi)分別裝用等量的澄清石灰水，先吸氣，讓空氣進(jìn)入左瓶?jī)?nèi)，再呼氣，呼出氣體進(jìn)入右瓶，經(jīng)過(guò)兩次等時(shí)間、等力度的吸氣和呼氣后，可見(jiàn)左瓶?jī)?nèi)的石灰水基本沒(méi)有什么變化，而右瓶?jī)?nèi)的石灰水明顯變渾濁了，充分說(shuō)明呼出氣體中二氧化碳含量要比空氣中的高。

探究實(shí)驗(yàn)3：比較人體吸入空氣與呼出氣體中水蒸氣的含量。

如圖4所示，先通過(guò)錐形瓶的支管吸氣8 s，讓空氣流通過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)管進(jìn)入具支錐形瓶，可見(jiàn)瓶?jī)?nèi)無(wú)明顯變化，再通過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)管呼氣8 s，呼出的氣體進(jìn)入具支錐形瓶，可見(jiàn)瓶壁上出現(xiàn)許多明顯的水霧，充分說(shuō)明呼出氣體中水蒸氣含量要比空氣中的高。

若在具支錐形瓶?jī)?nèi)先裝入少量的澄清石灰水(見(jiàn)圖5)，長(zhǎng)導(dǎo)管上連接1個(gè)單向閥(以防吸入石灰水)，重復(fù)以上操作，可見(jiàn)吸氣后，空氣進(jìn)入石灰水中，但石灰水沒(méi)有明顯變化，而呼氣后，石灰水明顯變渾濁，也說(shuō)明呼出氣體中二氧化碳含量要比空氣中的高。

3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

(1)比較氧氣含量的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，用燃著的蠟燭代替木條，火焰穩(wěn)定且能做到大小基本一致，實(shí)驗(yàn)效果明顯，在除去二氧化碳?xì)怏w后比較氧氣含量，更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)。

(2)比較二氧化碳含量的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，不用事先收集吸入空氣和呼出氣體，在等量的澄清石灰水中分別通入等量的兩種氣體來(lái)比較二氧化碳含量，操作簡(jiǎn)單，用時(shí)短，對(duì)比明顯。

(3)比較水蒸氣含量的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓吸入空氣和呼出氣體均以氣流的形式與瓶壁接觸，控制變量更科學(xué)，易于學(xué)生操作，效果明顯。