芻議空氣中氧氣含量測定實驗的改進

吳泉慧

【摘 要】化學是一門以實驗為基礎的科學。對于初三學生來說，化學是比較抽象難懂的，而當今初三學生的學業(yè)負擔又比較重，所以學習化學比較吃力。實驗教學能夠使抽象難懂的化學知識轉換為形象易懂的形式，使學生能夠在有限的時間內(nèi)更好地理解和掌握化學知識，并激發(fā)學生學習化學的興趣，調(diào)動學生學習化學的積極性，培養(yǎng)學生科學探究的能力，提升學生化學學科核心素養(yǎng)。本文主要是針對空氣中氧氣含量測定實驗的改進進行全面的分析。

【關鍵詞】初中化學;氧氣含量測定;改進實驗

1.改進空氣中氧氣含量測定實驗的原因

初三學生在學習化學的時候經(jīng)常出現(xiàn)不能充分理解和掌握相關化學知識的現(xiàn)象，尤其是無法全面理解和應用化學實驗的相關原理以及各種重難點知識。實驗教學能夠有效激發(fā)學生學習化學的興趣，調(diào)動學生學習化學的積極性，培養(yǎng)學生科學探究的能力，提升學生化學學科核心素養(yǎng)，還有助于提高化學教學效果。課本上是用燃燒紅磷法來測定空氣中氧氣含量的：利用紅磷燃燒將集氣瓶內(nèi)的氧氣消耗，同時生成五氧化二磷固體而不產(chǎn)生其他氣體，使瓶內(nèi)的氣壓減小，在大氣壓的作用下，燒杯內(nèi)的水沿導管進入集氣瓶內(nèi)，進入瓶內(nèi)的水的體積等于消耗的氧氣的體積。但是，在進行實驗的過程中，有一些問題會對測定實驗的過程和結果產(chǎn)生影響，無法有效保障空氣中氧氣含量測定實驗的教學效果。

第一，在點燃紅磷的時候，產(chǎn)生的五氧化二磷會逸散到空氣中造成污染，并且將燃燒著的紅磷伸入集氣瓶內(nèi)時，由于紅磷燃燒放出大量熱勢必會導致集氣瓶內(nèi)的空氣受熱膨脹逸出，導致氧氣含量測定結果精確度不足。

第二，在進行實驗的時候，要求紅磷過量才能消耗完集氣瓶內(nèi)的氧氣，但是紅磷用量過多，在燃燒匙內(nèi)燃燒的時候可能會有火星濺落桌面，存在一定的安全隱患。

第三，在檢查裝置氣密性的時候，如果是利用熱水檢查裝置是否漏氣，當看到水中導管口有氣泡冒出就立即認為裝置不漏氣，這樣欠妥。實際上，裝置若有少量漏氣，微熱后導管口一樣會看到氣泡。而在進行實驗的時候，紅磷燃燒放出大量熱使裝置內(nèi)氣體受熱迅速膨脹，氣壓迅速增大，或是反應結束裝置冷卻后內(nèi)部氣壓由于消耗了氧氣大大減小，像這樣內(nèi)外氣壓相差較大的時候，漏氣現(xiàn)象會變得更加嚴重，又不容易被發(fā)現(xiàn)，很可能會導致測定實驗出現(xiàn)較大的誤差。

因此，為了提高學生的化學思維能力，同時也為了保障初中化學實驗教學的效果，應當針對空氣中氧氣含量測定實驗進行改進。

2.改進空氣中氧氣含量測定實驗的方法

九年級化學滬教版中空氣中氧氣含量測定實驗的教學，主要是通過實驗教學讓學生清楚知道空氣中氧氣的含量以及空氣的成分并不單一，理解純凈物和混合物的概念知識，并且讓學生掌握除去空氣中的氧氣從而測定空氣中氧氣含量的方法。因此，需要根據(jù)實際情況針對空氣中氧氣含量測定實驗進行有效改進。首先應當給學生詳細講解教材上的基礎知識和原理，再引導學生圍繞教材實驗進行分析和改進，給學生提供充足的小組討論時間，培養(yǎng)學生的探究能力、合作能力和自主學習能力。

（1）引導學生提出改用凸透鏡聚焦太陽光來點燃在密閉容器中的紅磷的改進實驗方案，這種方法能夠避免點燃紅磷時火星濺落桌面造成安全隱患，也能夠避免生成的五氧化二磷逸散到空氣中造成污染，還能夠避免點燃后伸入集氣瓶內(nèi)時集氣瓶內(nèi)的空氣受熱膨脹逸出造成誤差。但是這種方法會受到天氣因素的影響，只有在太陽光強烈的天氣下才能使用。接著引導學生嘗試使用其他材料進行實驗，并提出問題讓學生進行思考和探究，如“能不能使用木炭、蠟燭代替紅磷，為什么？”接著引導學生使用所學的化學知識及原理進行解釋，學生會回答說：“不能，因為在點燃的條件下，木炭、蠟燭燃燒都會生成二氧化碳氣體，使氧氣的減少不準確”最后引導學生圍繞問題以及結論進行驗證，有助于拓展學生的化學思維能力和自主創(chuàng)新能力，形成化學是一門以實驗為基礎的科學的意識。

（2）給學生介紹使用水浴加熱點燃密閉容器中的白磷來測定空氣中氧氣含量的方法，這種方法同樣能夠避免點燃時火星濺落桌面造成安全隱患，避免生成的五氧化二磷逸散到空氣中造成污染以及避免點燃后伸入集氣瓶內(nèi)時集氣瓶內(nèi)的空氣受熱膨脹逸出造成誤差。除此之外，因為白磷著火點較低，用熱水即可引燃。但是這種方法的缺點就是白磷有劇毒并且容易自燃，在操作時要特別小心。

（3）給學生介紹使用鐵生銹消耗氧氣來測定空氣中氧氣含量的方法，使用鐵粉、小試管、帶導管的單孔橡皮塞、燒杯和水等實驗儀器和用品。在小試管中放入足量鐵粉，滴一滴食鹽水，塞緊橡皮塞，將導管一端伸入盛有水的燒杯中，再將試管橫過來，輕拍，使鐵粉均勻地分散在小試管中。這種方法保持了上述兩種方法的優(yōu)點，除此之外，還有節(jié)約能源、節(jié)約藥品的優(yōu)點。但是缺點就是鐵生銹較慢，實驗耗時長，而且不易判斷何時耗盡氧氣。因此，這種方法適合準備好之后，放在教室里觀察，讓學生親身體驗科學實驗探究的過程，培養(yǎng)學生的科學精神。

在各種習題和教學參考資料中也有一些改進裝置，可以從中尋找靈感。比如錐形瓶和帶注射器的橡皮塞的組合：在錐形瓶內(nèi)底部放適量細沙，細沙上放足量的白磷，塞緊橡皮塞，將注射器插入橡皮塞，針頭不露出，與試管不連通，讀出注射器內(nèi)空氣體積。然后用熱水浴引燃白磷，待反應停止并且裝置冷卻后，將注射器向下插入橡皮塞，使針頭露出，與試管連通，注射器活塞會自動向下移動，待活塞穩(wěn)定不動后，讀出注射器內(nèi)剩余空氣的體積，兩次讀數(shù)的差就等于消耗氧氣的體積。針對空氣中氧氣含量測定實驗的改進方法有很多，而且隨著不斷改進，有的實驗裝置越來越復雜，有些改進只是為了出題目而創(chuàng)新，卻沒有考慮教學實用價值。因此，應當結合課本和學生的實際需求進行優(yōu)化與改進。

3.改進空氣中氧氣含量測定實驗的具體步驟

（1）對九年級化學滬教版課本上的實驗進行深入的分析和思考，選擇用白磷代替紅磷來進行實驗，并將帶有燃燒匙的單孔橡皮塞換成普通的單孔橡皮塞，并且插入橡皮塞的導管在穿過橡皮塞后要能伸到接近集氣瓶底，將盛水的燒杯換成盛紅墨水的量筒。將集氣瓶裝滿水，測定容積，并按容積五等分，在集氣瓶外相應的位置套上一圈黑色橡皮筋，便于看清等分線。

（2）連接好儀器，檢查裝置的氣密性。先將導管的一端伸入水中，再用熱水微熱集氣瓶，若水中導管口有氣泡冒出，并且裝置冷卻后在導管中上升一段穩(wěn)定的水柱，說明裝置不漏氣。

（3）在量筒中倒入足量的紅墨水，讀出紅墨水的體積。先用止水夾夾緊橡皮管，再將適量細沙平鋪在集氣瓶內(nèi)，最后將足量的白磷放在細沙上，馬上塞緊橡皮塞。

（4）用盛有熱水的燒杯水浴加熱集氣瓶底，使白磷開始燃燒。

（5）一段時間后白磷熄滅，再過一段時間，待集氣瓶冷卻到室溫后，先將導管一端伸入量筒內(nèi)的紅墨水中，再打開止水夾。量筒內(nèi)的紅墨水會沿著導管流入集氣瓶內(nèi)，調(diào)節(jié)集氣瓶和量筒的相對高度，使兩者內(nèi)部的紅墨水液面高度相平。觀察集氣瓶內(nèi)紅墨水上升到什么位置，讀出量筒中剩余的水的體積。思考量筒中減少的紅墨水的體積和進入集氣瓶中的紅墨水的體積，哪一個用來求氧氣的含量更好。

4.改進空氣中氧氣含量測定實驗的相關優(yōu)點

（1）使用白磷代替紅磷，白磷燃燒耗氧更徹底，會使測定結果更準確。并且白磷著火點低，可以用熱水浴引燃，操作更簡便。

（2）使用紅墨水代替水，能夠使水沿導管進入集氣瓶中的過程現(xiàn)象更加明顯，也能夠更好地觀察集氣瓶內(nèi)和量筒內(nèi)的水位變化。防止有學生看不清水沿導管流入集氣瓶。

（3）使用量筒代替燒杯盛放紅墨水，量筒不僅能作為盛紅墨水的容器，還能同時測定反應前后紅墨水的體積，進而求出量筒中紅墨水減少的體積，即消耗的氧氣的體積。這樣得到的氧氣體積比測定進入集氣瓶內(nèi)的紅墨水的體積更精確，因為后者沒把留在導管中的紅墨水算在內(nèi)。

（4）檢查裝置氣密性時，增加了觀察冷卻后導管中上升一段穩(wěn)定水柱的現(xiàn)象，這樣可以避免用熱水微熱時，就算有少許漏氣也會冒出氣泡，產(chǎn)生不漏氣的假象。

（5）原實驗中，過量的紅磷在燃燒匙內(nèi)燃燒時有火星濺落桌面造成安全隱患，生成的五氧化二磷逸散到空氣中造成污染，伸入集氣瓶內(nèi)時瓶內(nèi)的空氣受熱會膨脹逸出造成誤差。而改進后的實驗中，白磷是在密封的集氣瓶中被點燃并燃燒直到熄滅，能夠避免火星濺落桌面，也能夠避免生成的五氧化二磷逸散到空氣中，還能夠避免點燃后伸入集氣瓶內(nèi)時瓶內(nèi)的空氣受熱膨脹逸出。

（6）把原來剛露出橡皮塞的導管改為伸到接近集氣瓶

底，是為了在紅墨水倒吸進入集氣瓶后調(diào)節(jié)集氣瓶內(nèi)和量筒內(nèi)液面高度相平，利用連通器原理，確保裝置內(nèi)部氣壓和外界大氣壓相等，得到更準確的剩余氣體體積。防止因導管中殘留有水垢，使裝置內(nèi)部氣壓小于外界大氣壓，從而使得到的氧氣體積不準確。

（7）與原實驗相比，改進后的實驗更加環(huán)保、精確、可靠、簡便，現(xiàn)象也更加明顯。而且改進后的實驗儀器和用品也都是化學實驗室必備的基本資源，不需要另外進行采購。

（8）初三學生學業(yè)負擔較重，在有限的時間內(nèi)利用簡單易懂的實驗教學引導學生全面掌握和學習相關化學知識是非常有必要的。通過對原實驗和改進后實驗的深入分析和對比，學生更容易理解和掌握空氣中氧氣含量測定實驗的原理和方法，有助于提高學生化學學習能力，培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)，還有助于提高化學教學效果。

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