用注射器作反應(yīng)器與量具，精確測定空氣中氧氣含量
——“測定空氣中氧氣含量”實驗的簡化改進

張成生

（金華市金東區(qū)教育體育局教育中心 浙江 金華 321015）

“測定空氣中氧氣含量”這一實驗除了學科知識內(nèi)容學習和實驗技能訓練之外，還蘊含豐富的科學思想和方法，比如進行反應(yīng)原理的分析、材料的選擇，以及模型建構(gòu)、誤差原因分析以及如何改進減小誤差等科學方法內(nèi)容，對提高學生的科學核心素養(yǎng)有著重要作用。是初中化學不可或缺的經(jīng)典實驗。

浙教版《科學》的實驗裝置如圖1，利用紅磷燃燒除氧形成負壓，以水替代原瓶內(nèi)氧氣進行測定。先在集氣瓶內(nèi)加入少量水，再把剩余部分分成5等份，用止水夾夾緊膠皮管，點燃燃燒匙內(nèi)的紅磷，立即伸入瓶中并塞緊瓶塞，待火焰熄滅并冷卻后，打開止水夾，觀察現(xiàn)象，得出結(jié)論。

看似簡單的實驗，在方案中卻存在“先天”不足，實際操作很難達到預期效果，甚至經(jīng)常出現(xiàn)不成功的情況，進而影響實驗的開展和教學。該實驗主要不足：①紅磷燃燒時耗氧不完全，氧氣殘留高，導致實驗結(jié)果偏小。②教材實驗采用瓶外點燃法，操作過程會導致瓶內(nèi)氣體被加熱膨脹溢出而導致實驗結(jié)果偏大，且紅磷瓶外點燃有污染，存在安全隱患。③在集氣瓶上進行體積等分劃線比較粗糙，會導致較大的實驗誤差。④剩余氣體需要較長時間冷卻才能得到較滿意的實驗結(jié)果，導致實驗時間偏長影響課堂教學。

針對上述問題，已有較多同行對此實驗進行過研究和改進。陸麗萍（2022年）［1］對各種改進方法進行了研究，認為改進該實驗的角度主要在點燃方式、耗氧物質(zhì)、度量工具等三個角度進行分析，由此進行了針對性改進。除此之外，唐祥梅（2022年）［2］、金隆等人（2021年）［3］將耗氧藥品的點燃方式由瓶外改成內(nèi)置點燃，以此減小操作中的誤差。許麗丹等人（2020年）［4］從耗氧藥品角度進行綜述，分析了紅磷等耗氧藥品使用的優(yōu)劣，對藥品的選用有一定的幫助；林旺金與張惠嬌兩人（2018年）［5］采用白磷加氫氧化鈉溶液吸收的方式增加了準確度；程星燦（2022年）［6］用鐵粉吸氧劑；顏石珍與夏駿等人（2022年）［7］用暖寶寶粉末進行脫氧均對實驗進行了改進。從以上改進可以發(fā)現(xiàn)，暖寶寶等鐵系脫氧劑氧氣殘留量低于0.1%，脫氧效果好，準確度高，且同時解決點燃問題，是一種不錯的選擇。但與紅磷相比，鐵系脫氧劑缺少明顯的反應(yīng)現(xiàn)象，并由于平時使用中，鐵系脫氧劑給人有脫氧緩慢的不足。其原因是在脫氧劑使用過程中，與氧氣接觸面少，且用量不多（一般為預估所脫氧氣質(zhì)量的3 倍），在實驗中，可以采用增大接觸面積的方式來縮短反應(yīng)時間。并且在小體積中使用，有放熱改變溫度但也能很快恢復。

而對于度量工具的改進，除了陸麗萍老師的綜述之外，還有阮芬芬（2018年）［8］的量筒和氣壓傳感器，計量上更加精確，但器材不夠普及且過程復雜；而金隆、顏石珍、林旺金等人則均用注射器來改進度量工具，但也只是利用注射器帶有刻度的外筒作為量具，而不是利用注射活塞的移動直接測量。不管裝置如何改進，都是一個一定體積用于反應(yīng)的封閉系統(tǒng)再加一個轉(zhuǎn)換成能顯示體積的裝置組合。注射器是自帶刻度氣密性良好的封閉系統(tǒng)，并且可直接通過能移動的活塞讀出體積變化裝置。用一段輸液塑料導管連接兩個注射器，既是封閉系統(tǒng)且能精確顯示體積變化。在使用鐵系脫氧劑時，注射器也可以作為反應(yīng)容器，同時是一個精確的度量工具。

基于以上思考可知，用暖寶寶粉末等鐵系脫氧劑作為除氧物質(zhì)，以注射器作為反應(yīng)容器與度量工具，是一個可以適用于測量空氣中氧氣體積分數(shù)的最佳組合。具體的改進與操作如下：

一、實驗器材

注射器（50 mL）兩支（可分為甲和乙）、1.5 cm 左右塑料輸液導管一截、暖寶寶粉末若干。

二、實驗操作

1.剪開暖寶寶包裝，拉開注射器（甲）活塞后倒入約5 mL（過量）的暖寶寶粉末，用活塞壓實，如圖2所示。將另一注射器（乙）接上輸液導管，活塞拉到50 mL刻度處待用，導管中可塞入一團棉花，起到阻擋粉末作用。

為節(jié)約課堂教學時間，以上兩項操作均可在課前準備。如果是課前準備，注射器（甲）可在壓實粉末后用橡皮泥密封注射器口以防止粉末氧化失效。

2.將注射器（乙）活塞拉到刻度為50 mL 處，然后用輸液管接好兩個注射器，如圖3。拉動注射器（甲）或推動注射器（乙）的活塞，使注射器（乙）中空氣均進入（甲）中為止。

3.搖晃注射器1 分鐘左右，使空氣與脫氧劑充分接觸反應(yīng)，加快氧氣消耗。然后將注射器（甲）的活塞壓回原處，觀察注射器（乙）中活塞的位置，先后兩次活塞位置差即為所消耗氧氣的體積，并依此計算氧氣的體積分數(shù)。

多次實驗表明，用此方法得到的氧氣體積分數(shù)基本能達到20%，甚至可達到21%，非常接近真實數(shù)值。

三、改進特色

用兩個注射器連接形成一個密封空間，自由移動的活塞可顯化并測量體積變化；其中一個注射器裝藥品作為反應(yīng)容器，反應(yīng)前后均將藥品壓實，可不計體積；另一個注射器作量具，自帶的刻度和可移動的活塞使測得數(shù)據(jù)更精準；而鐵系脫氧劑不需要燃燒，正好解決注射器不耐高溫的不足，且脫氧較完全。

1.裝置簡單，操作簡便。不需要進行復雜連接和再加工，只用一截輸液管將兩個注射器進行連接就行?？勺寣W生動手操作，分組準備過程簡便，有利于開展學生實驗。

2.效果明顯，結(jié)果準確。暖寶寶與氧氣發(fā)生反應(yīng)后，注射器內(nèi)氣壓減小，活塞在大氣壓的作用下往內(nèi)移動，減小的容積就是消耗氧氣的體積，可直接通過刻度讀出，讀數(shù)方便，準確度大。演示實驗可以通過投屏觀察，學生實驗結(jié)果可取平均值，更科學。改進實驗成功率高，更有利于學生理解實驗原理，降低學習難度。

3.成本低廉，安全方便。該實驗器材簡單、藥品易得，成本低廉。實驗耗材為暖寶寶，班級分組實驗1 至2包足夠，注射器可重復使用，實驗過程中不用點燃操作，不產(chǎn)生污染氣體，安全方便。

當然，此改進也還存在一些不足：如注射器活塞與注射筒之間的摩擦會對體積測量的準確性產(chǎn)生一定的影響；另外兩注射器連接內(nèi)部會有極少量空氣，也會影響精確度；另外，學生在搖晃操作中，連接導管的脫落也會對實驗產(chǎn)生一定的影響。當然，在實際教學中，這些可以作為學生進一步改進或思考的拓展素材。

實驗既是學生學習科學的途徑，也是教師教學的重要工具，將更簡單精確的實驗改進用于課堂，無論是對教還是學，都大有裨益。