空氣中氧氣含量測量實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

沙琦波

摘要：針對教材中某些實(shí)驗(yàn)方案的缺陷，在文獻(xiàn)研究基礎(chǔ)上，通過裝置改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種空氣中氧氣含量的測量方法： 在兩針筒中分別裝入水和食品脫氧劑，用橡膠導(dǎo)管過盈套接在兩個針筒之間，利用食品脫氧劑消耗氧氣使兩針筒產(chǎn)生壓強(qiáng)差引起水進(jìn)入另一個針筒，調(diào)整兩容器高度消除打開止水夾后兩液面的高度差帶來的壓強(qiáng)差，從而精準(zhǔn)測量氧氣的體積。本裝置簡單實(shí)用、造價(jià)低，便于學(xué)生自主完成測定，且實(shí)驗(yàn)誤差小、安全性高、可靠性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn); 氧氣含量測量; 食品脫氧劑; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號：10056629（2021）11007604

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題提出

“簡單測量空氣中的氧含量”是《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中明確提出的“活動建議”[1]，該活動是華師大版《科學(xué)》七年級下冊第2章第2節(jié)“空氣的成分”中的內(nèi)容，是初中化學(xué)重要的探究性實(shí)驗(yàn)之一。教材介紹的實(shí)驗(yàn)方法是在密閉的玻璃容器中燃燒紅磷，待紅磷熄滅并冷卻后，通過計(jì)算倒吸入的水的體積與原空氣所占體積的比值來測定空氣中的氧氣含量（如圖1所示）。但是，該實(shí)驗(yàn)方案存在一定的缺陷，例如：

（1） 裝置的氣密性很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn);在外點(diǎn)燃紅磷后再伸入集氣瓶，使裝置無法始終完全密閉，該過程導(dǎo)致瓶內(nèi)的空氣發(fā)生膨脹，一部分逸出;經(jīng)色譜分析[2]，紅磷在集氣瓶內(nèi)燃燒結(jié)束后，瓶內(nèi)仍有7%以上的氧氣剩余，因此無法徹底消耗氧氣;裝置中的導(dǎo)管原來是有空氣的，這部分體積并不小且不易估計(jì)，后來導(dǎo)管里充滿了水，這部分水沒有進(jìn)入集氣瓶中，導(dǎo)致產(chǎn)生測量的系統(tǒng)誤差;用于測量氣體體積所標(biāo)示的刻度線不夠精確等。以上幾點(diǎn)均導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)的成功率較低。

（2）實(shí)驗(yàn)過程中需要使用較多的玻璃器皿，不小心容易打碎，且在酒精燈上點(diǎn)燃紅磷時，生成的五氧化二磷顆粒以白煙的形式擴(kuò)散到空氣中，有一定的毒性，因而存在割傷、燒傷、中毒等安全隱患。

為此，需要研究設(shè)計(jì)更為優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方案，解決上述問題，以期提高教學(xué)效果。

2 相關(guān)文獻(xiàn)分析

檢索近幾年的相關(guān)文獻(xiàn)資料，并將眾多的改進(jìn)方案歸納如下。

2.1 換用更易于點(diǎn)燃的白磷

由于紅磷的著火點(diǎn)是260℃，白磷的著火點(diǎn)只有40℃，所以可以用更為簡便的方式將白磷點(diǎn)燃。如朱華英和劉懷樂[3]改進(jìn)了教材裝置中的集氣瓶塞，在燃燒匙里放一塊白磷，用力把預(yù)先加熱的玻璃棒從集氣瓶瓶塞按下與白磷接觸使其燃燒（如圖2所示），但玻璃棒的預(yù)熱程度并不易于控制;俞紅星[4]利用放大鏡會聚太陽光（如圖3所示）或熱水浴來加熱白磷（如圖4所示）。但放大鏡聚焦法難免會受到天氣影響，只有在陽光充足的情況下實(shí)驗(yàn)才有可能成功。熱水浴法則需不斷給水加熱，同時要避免集氣瓶過熱導(dǎo)致爆裂。該方法比較耗時且存在安全隱患;曹碧華[5]采用電熱絲通電加熱或酒精燈加熱鋁絲導(dǎo)熱的方法來使白磷燃燒。但裝置稍顯復(fù)雜，對電池功率的要求較高。鋁絲導(dǎo)熱效率也不夠理想，且因其質(zhì)軟，在穿過橡膠塞時容易彎曲，導(dǎo)致裝置漏氣，使實(shí)驗(yàn)成功率低;姚秋玲和王鋒[6]用激光筆在室溫下5s內(nèi)點(diǎn)燃白磷，而這需要使用大功率的激光筆，學(xué)生一旦使用不當(dāng)可能會造成眼睛灼傷、甚至引起火災(zāi)等不良后果。

2.2 設(shè)計(jì)更精密的實(shí)驗(yàn)裝置

反應(yīng)容器往往為試管、U型管、直玻璃管，不僅使反應(yīng)容積減小，節(jié)省了藥品用量和實(shí)驗(yàn)時間，容器內(nèi)徑上下基本一致，增加了測量的準(zhǔn)確性。例如，尚廣斗[7]將底部有一小孔的大試管豎直置于盛有水的燒杯中，塞緊帶有燃燒匙和粗銅絲的橡皮塞，用灼熱的銅絲引燃燃燒匙中的白磷，氣體體積用試管中間部分的氣體高度來表示（如圖5所示）;師海滿等[8]在U型管內(nèi)注入適量水，在金屬網(wǎng)勺內(nèi)放入適量白磷，將橡皮塞置于U型管有刻度一端使其充分密閉，用酒精燈給導(dǎo)熱金屬棒加熱使白磷燃燒，充分冷卻后，U型管封閉端水面上升（如圖6所示）。但反應(yīng)結(jié)束后，玻璃管內(nèi)外或兩側(cè)的高低液面產(chǎn)生壓強(qiáng)差，由于裝置本身的問題而難以緩解調(diào)整，致使實(shí)驗(yàn)測量不準(zhǔn)確。

以上改進(jìn)思路均具有一定的科學(xué)性，基本滿足了裝置密閉性要求，但仍難以避免白磷燃燒的產(chǎn)物五氧化二磷外逸污染空氣;有的裝置過于復(fù)雜，器材需要再加工才能使用，組裝、操作、氣體體積計(jì)算均較繁瑣，現(xiàn)象不夠直觀，使實(shí)驗(yàn)難度增加了不少，不利于學(xué)生獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)。

2.3 食品脫氧劑的應(yīng)用

常見的食品脫氧劑多為無機(jī)鐵系脫氧劑，主要成分為高純度的活性鐵粉和催化劑的混合物，其原理為鐵粉和氧氣在催化劑作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，并釋放一定熱量（常用作暖寶寶內(nèi)容物），實(shí)質(zhì)是利用鐵的吸氧腐蝕除去氧氣。

徐泓[9]將脫氧劑置于100mL量筒中，用玻璃棒將其捅入量筒底部并使之固定，再將量筒迅速倒置于盛有水的大燒杯中，進(jìn)而觀察量筒內(nèi)液面的上升情況（如圖7所示）;他的另一個實(shí)驗(yàn)方案是將脫氧劑用彎曲的大頭針固定在橡皮塞上，迅速將橡皮塞塞緊在廣口瓶上，觀察量筒中水的減少量（如圖8所示）;朱清勇[10]將還原鐵粉和活性炭粉充分混合后均勻地鋪在試管中，迅速塞緊橡皮塞，導(dǎo)管伸入裝有水的量筒中，一段時間后打開止水夾，觀察到導(dǎo)管中的水面不斷上升，待水位穩(wěn)定后讀取量筒內(nèi)的剩余水量（如圖9所示）。但以上三個方案的共同缺陷是未排除脫氧劑本身體積對測量結(jié)果的影響，且導(dǎo)管內(nèi)外的水位差亦會引起壓強(qiáng)差，從而造成一定的誤差。

3 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

通過對上述改進(jìn)方案的討論，根據(jù)中學(xué)化學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)必須遵循的科學(xué)性、可行性、簡約性、直觀性、安全性等原則，筆者進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)了新的改進(jìn)方案。

3.1 裝置結(jié)構(gòu)

本裝置（如圖10所示）涉及實(shí)驗(yàn)教學(xué)和教具領(lǐng)域，包括底座和固定在其上面的立板，在立板上水平間隔固定有兩個夾子，夾子內(nèi)分別夾持有上下呈連通狀態(tài)且形狀和體積一致的第一容器和第二容器（兩個塑料針筒），它們的表面帶有相同的刻度，下端開口之間過盈（過盈是指孔的尺寸減去相配合的軸的尺寸所得代數(shù)差為負(fù)值）套接有橡膠導(dǎo)管，橡膠導(dǎo)管上設(shè)置有止水夾。在第一容器內(nèi)裝有水（滴有紅墨水，方便觀察）;在第二容器內(nèi)裝有鐵系列食品脫氧劑（如暖寶寶內(nèi)容物），上口設(shè)置活塞。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

用食品脫氧劑將第二容器內(nèi)空氣中的氧氣耗盡形成負(fù)壓，然后打開止水夾，在壓強(qiáng)差的作用下，第一容器內(nèi)的水倒吸入第二容器中。調(diào)節(jié)第二容器的高度，使第二容器中的液面與第一容器中的液面最終高度相同，防止液體壓強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。此時進(jìn)行讀數(shù)，進(jìn)入第二容器的水的體積則為消耗的氧氣體積，由此通過計(jì)算驗(yàn)證氧氣所占原空氣體積的百分比。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果

（1） 先將夾有止水夾的橡膠導(dǎo)管的一端過盈套在第一容器底部，在第一容器內(nèi)加入適量水，在水中滴加幾滴紅墨水使其更加明顯。

（2） 氣密性檢查： 將第二容器的活塞向上拉至一定刻度處，然后將橡膠導(dǎo)管遠(yuǎn)離第一容器的一端與第二容器連接，打開止水夾，此時，第二容器和橡膠導(dǎo)管的連接處沒有聲音且第二容器內(nèi)沒有水進(jìn)入，則說明第二容器的氣密性良好。

（3） 打開止水夾將套在第二容器底部的橡膠導(dǎo)管一端取下，讓橡皮管中充滿水，排除橡膠導(dǎo)管內(nèi)的空氣，減小實(shí)驗(yàn)誤差。

（4） 用藥匙將新拆封的食品脫氧劑快速送入第二容器內(nèi)至與2mL刻度線相平，然后將活塞拉至V1刻度線處[此時第二容器內(nèi)空氣的體積為（V1-2）mL]。再迅速將夾有止水夾的橡膠導(dǎo)管與第二容器連接，靜置20分鐘，利用食品脫氧劑將第二容器內(nèi)的氧氣消耗完全，使第二容器產(chǎn)生負(fù)壓（如圖11所示）。

（5） 打開止水夾，可以發(fā)現(xiàn)第一容器中的水進(jìn)入第二容器中，調(diào)節(jié)第二容器高度使第一容器內(nèi)的液面與第二容器的液面高度一致，以消除液面壓強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)的干擾，讀出第二容器中的液面位于V2刻度線處（如圖12所示），則原第二容器中氧氣的體積為（V2-2）mL，從而計(jì)算出空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)為： O2%=（V2-2）mL/（V1-2）mL×100%，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表1中。

由表1可知，利用本實(shí)驗(yàn)測得的空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)平均值為20.8%，約等于21%。

3.4 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

（1） 為證明脫氧劑中的鐵粉與氧氣反應(yīng)比紅磷燃燒耗氧更徹底，有研究者[11]在鐵的吸氧腐蝕裝置中用氧氣傳感器測量了體系中氧氣含量的變化： 在162s內(nèi)從最初的21%逐漸下降到0;實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明顯，針筒上的體積刻度線均勻、準(zhǔn)確，從而使讀數(shù)更加精準(zhǔn);反應(yīng)的整個過程在密閉的第二容器內(nèi)進(jìn)行，裝置的氣密性很好，與外界不存在氣體交換的契機(jī)。通過調(diào)整兩容器高度來消除打開止水夾后兩液面的高度差帶來的壓強(qiáng)差，也避免了教材實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)管體積產(chǎn)生的誤差。

因此本方案的實(shí)驗(yàn)誤差大為減小，由原先不需要處理數(shù)據(jù)的“半定量”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為可以進(jìn)行讀取、記錄、數(shù)據(jù)處理和誤差分析的“定量”測定實(shí)驗(yàn)。

（2） 整套實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單，不使用玻璃器皿，塑料針筒也較易獲取，且容積小，藥品用量少，整體造價(jià)低廉，且可反復(fù)使用。實(shí)驗(yàn)過程操作簡便，不涉及明火，無毒無污染，基本排除了各種安全隱患。

（3） 由于實(shí)驗(yàn)者存在一定的身高差，對夾子高度的不同需求從而導(dǎo)致觀察不便，因此設(shè)置了升降裝置，實(shí)驗(yàn)者可以在一定范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)夾子高度，更為人性化。

另外，此反應(yīng)需要時間稍長，為提高吸氧的速率，“脫氧劑”也可按下列方法自制： 稱取2g還原鐵粉、0.5g NaCl和0.5g活性炭于濾紙上，混合均勻后包好，滴入約1mL水潤濕，用密封塑料袋裝好備用。

總之，本方案實(shí)驗(yàn)原理清晰易懂，可靠性、安全性和可操作性均較高。測量裝置新穎實(shí)用，無需教師演示，學(xué)生按照步驟即可獨(dú)立完成測量。學(xué)生在探究過程中不僅鞏固了化學(xué)反應(yīng)原理，掌握了一定的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能，充分體驗(yàn)到科學(xué)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，而且還進(jìn)一步培養(yǎng)了創(chuàng)新意識和環(huán)保理念，認(rèn)識到食品脫氧劑等化學(xué)物質(zhì)在日常生活中的應(yīng)用，感受到了化學(xué)對提高人類生活質(zhì)量的積極作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部制定. 義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S]. 北京： 北京師范大學(xué)出版社， 2012： 28.

[2][10][11]朱清勇. 空氣中氧氣含量測定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 中學(xué)化學(xué)， 2014， （12）： 21～22.

[3]朱華英， 劉懷樂. 對空氣中氧氣含量測定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2005， （1）： 21.

[4]俞紅星. “空氣中氧氣含量的測定”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2009， （4）： 47.

[5]曹碧華. “空氣中氧氣含量的測定”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J]. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器， 2010， （1）： 25.

[6]姚秋玲， 王鋒. 空氣里氧氣含量測定實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （3）： 72～74.

[7]尚廣斗. “空氣中氧氣含量的測定”實(shí)驗(yàn)的研究與改進(jìn)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2009， （11）： 13～15.

[8]師海滿， 師月. 一種空氣中氧氣含量測定演示儀[P]. 中國： 203422886. 2014～02～05.

[9]徐泓. 利用“食品脫氧劑”測定空氣中氧氣含量的系列設(shè)計(jì)[J]. 化學(xué)教育， 2010， （11）： 71～72.