空氣中氧氣含量測(cè)定儀

◎湖南省汨羅市屈子祠鎮(zhèn)范家園初級(jí)中學(xué) 毛雄 熊永玲

在初中化學(xué)課程中，空氣中氧氣含量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)是學(xué)生探究空氣成分的重要實(shí)驗(yàn)，能幫助學(xué)生由感性認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為理性認(rèn)識(shí)，打開他們探究化學(xué)知識(shí)、感受化學(xué)魅力的大門。

一、教材實(shí)驗(yàn)探究

在人教版化學(xué)九年級(jí)上冊(cè)第二單元課題一“空氣”中，空氣中氧氣含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)是：在密封的集氣瓶中，通過燃燒紅磷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)消耗空氣中的氧氣，使得集氣瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)減小。由于集氣瓶?jī)?nèi)外存在壓強(qiáng)差，水通過導(dǎo)管進(jìn)入量杯，進(jìn)入量杯中的水的體積就代表空氣中氧氣的體積，如圖1所示。

圖1 教材中測(cè)定空氣中氧氣含量實(shí)驗(yàn)的裝置圖

為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?shí)驗(yàn)選材需滿足以下要求：能在空氣中與氧氣發(fā)生反應(yīng)且不消耗空氣中的其他成分；反應(yīng)后不生成其他氣體；實(shí)驗(yàn)中燃燒的紅磷需過量。

該實(shí)驗(yàn)可以改進(jìn)的地方有：紅磷在外部點(diǎn)燃后再伸進(jìn)密閉集氣瓶，這樣做會(huì)污染空氣；伸入密閉集氣瓶中的導(dǎo)管只能起到吸水的作用，并未充分利用；實(shí)驗(yàn)過程中，氣體受熱膨脹易將橡皮塞沖開，實(shí)驗(yàn)裝置有炸裂的危險(xiǎn)；若操作時(shí)間把握不準(zhǔn)，提早打開開關(guān)，會(huì)使氣體外泄或者導(dǎo)管末端冒泡，影響實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

二、改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

空氣中氧氣含量測(cè)定儀如圖2、圖3所示，由適用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)的直流安全電源、發(fā)熱接頭、鐵架臺(tái)、自行設(shè)計(jì)與制作的紅磷反應(yīng)玻璃容器等四部分組成。

圖2 裝置說明圖

圖3 空氣中氧氣含量測(cè)定儀實(shí)物圖

發(fā)熱接頭裝置如圖4所示，制作過程如下：

1.將兩根等長(zhǎng)的銅線與燃燒匙插入橡膠塞中，確保塞緊，不漏氣；

2.將銅線一端連接直流安全電源，另一端緊連一根特制電阻絲，使銅絲兩端形成彎扣，另一根銅絲也按如上步驟操作；

3.將兩根銅絲連接電源的一端的電線系緊在彎扣上，并用電膠布包好，確保不漏電；

4.連接電阻絲的一端，需將電阻絲緊緊纏繞在彎扣上，并用老虎鉗夾緊，確保不脫落；

5.將電阻絲放在燃燒匙的正中央，整個(gè)發(fā)熱接頭伸入球形玻璃容器的中央部位，確保不靠近玻璃壁。

圖4 發(fā)熱接頭裝置

紅磷反應(yīng)玻璃容器是我們畫圖設(shè)計(jì)后，送至四川省的一家玻璃廠定制的，在工廠現(xiàn)場(chǎng)制作模具后用玻璃原料一次性澆筑而成。球形玻璃容器的容積為200 mL，右側(cè)玻璃管外壁有刻度標(biāo)識(shí)，用于記錄液面上升與下降的數(shù)值。設(shè)計(jì)時(shí)，球形玻璃容器與玻璃管連接部位順滑，確保了液體流動(dòng)的順暢。

三、實(shí)驗(yàn)過程

1.準(zhǔn)備少量水，將其從玻璃彎管口灌入實(shí)驗(yàn)裝置，再向水中添加少許高錳酸鉀粉末，使溶液呈紫色且不生成其他物質(zhì)。將實(shí)驗(yàn)裝置固定在鐵架臺(tái)上，檢查其氣密性。反應(yīng)開始前的裝置如圖5所示。

圖5 反應(yīng)開始前，右側(cè)玻璃管中的水位為初始刻度

2.打開電源開關(guān)，電阻絲發(fā)熱點(diǎn)燃紅磷，球形玻璃容器內(nèi)的空氣受熱膨脹，右側(cè)玻璃管中的水位上升，如圖6所示。

圖6 球形玻璃容器內(nèi)的空氣受熱膨脹，右側(cè)玻璃管中的水位上升

3.反應(yīng)完成后關(guān)閉電源，右側(cè)玻璃管內(nèi)水位緩慢下降。

4.待裝置冷卻后，對(duì)比右側(cè)玻璃管的初始刻度和最終刻度，即可計(jì)算出球形玻璃容器內(nèi)紅磷燃燒時(shí)所消耗的氧氣占空氣的體積分?jǐn)?shù)，最終刻度如圖7所示。

圖7 反應(yīng)結(jié)束后，右側(cè)玻璃管中的水位為最終刻度

四、裝置改進(jìn)效果

這款空氣中氧氣含量測(cè)定儀有以下優(yōu)點(diǎn)。

1.科學(xué)環(huán)保

本裝置讓紅磷在密閉環(huán)境中燃燒，生成的五氧化二磷無法飄散，不僅環(huán)保，還保障了師生的身體健康，體現(xiàn)了以人為本的教學(xué)理念。

2.新穎獨(dú)特

本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，并且裝置從測(cè)量、畫圖、設(shè)計(jì)模具、澆筑、風(fēng)干成型，每一步都是我們自主設(shè)計(jì)完成的，具有創(chuàng)新性和獨(dú)特性。

3.安全無毒

紅磷在球形玻璃容器里有充足的燃燒空間，玻璃內(nèi)壁不會(huì)因燃燒時(shí)受熱不均而炸裂。當(dāng)紅磷燃燒時(shí)，球形玻璃容器內(nèi)的空氣受熱膨脹，右側(cè)玻璃管中的水位會(huì)上升，有效避免了空氣膨脹帶來的安全隱患，不會(huì)出現(xiàn)教材實(shí)驗(yàn)中橡膠塞被沖開、反應(yīng)容器炸裂的危險(xiǎn)。

4.效果直觀

使用本裝置，學(xué)生可直接觀察到紅磷燃燒時(shí)放出的大量白煙、氣體受熱膨脹的現(xiàn)象，加入了高錳酸鉀的紫色溶液能讓升降效果更直觀、有趣。

5.操作簡(jiǎn)單

組裝好儀器后，教師只需開、關(guān)儀器，兩步便完成演示。操作極其簡(jiǎn)單，解放了教師的雙手，讓教師有更多時(shí)間與學(xué)生互動(dòng)。

6.結(jié)論明顯

玻璃管右側(cè)有刻度標(biāo)尺，可以直接顯示氣體體積的變化，如氣體膨脹時(shí)可以讀取所膨脹的體積數(shù)，氧氣耗盡時(shí)可以讀取氧氣占空氣的體積數(shù)。

7.學(xué)科融合

本套裝置既包含了化學(xué)學(xué)科中物質(zhì)燃燒、空氣中氧氣含量等知識(shí)，也包含了物理學(xué)科中氣體壓強(qiáng)、液體壓強(qiáng)、連通器、電流的熱效應(yīng)等知識(shí)點(diǎn)，體現(xiàn)了學(xué)科融合的特點(diǎn)，對(duì)提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)有很大幫助。