空氣組成測定實驗的改進

王國崢

摘要：針對初三《化學》中“空氣中氧氣體積含量的測定”實驗存在的不足進行了改進，并對改進后設計的實驗進行反思。

關鍵詞：氧氣含量測定; 實驗改進; 反思

文章編號：1005－6629(2009)03－0015－03中圖分類號：G633.8文獻標識碼：C

1 問題的提出

滬教版九年級《化學》（2004年5月第二版）上冊第27頁圖2-1（如圖1）“空氣中氧氣體積含量的測定”實驗，其原理是通過燃著的紅磷伸入廣口瓶中密閉燃燒的方法測定空氣中氧氣的含量。該實驗特別強調裝置的氣密性、紅磷用量、冷卻到室溫后才能打開止水夾等因素，但除此之外在實際操作中，還存在下列問題：用酒精燈點燃紅磷時，不可避免有少量五氧化二磷污染環(huán)境；導管中存有空氣；將盛有燃著的紅磷的燃燒匙伸入到集氣瓶時易產生少量熱空氣外逸；有時為了追求燃燒匙伸入到集氣瓶中的速度，還會出現(xiàn)火焰熄滅、停止燃燒的現(xiàn)象。

為了進一步完善教材中的實驗方案，提高實驗的科學性、準確性，筆者對此實驗進行了改進探究，借鑒同行們一些好的做法和想法，現(xiàn)列舉如下4種改進方法，并反思其中的優(yōu)點與不足，旨在能“拋磚引玉”。

2 實驗改進

2．1改進點燃手段

（1）案例一：水浴引燃法

如圖2所示，將教材中帶有刻度的集氣瓶改為錐形瓶，燒杯改為注射器，紅磷改為白磷。實驗前先將錐形瓶中裝滿水，用量筒測量出錐形瓶的容積，再將白磷放入干燥的錐形瓶中，夾緊止水夾，注射器中盛放一定量的紅墨水，水浴加熱錐形瓶，待白磷燃燒熄滅后冷卻至室溫，打開止水夾，讀出注射器內紅墨水減少的體積數(shù)。

該裝置的優(yōu)點有：①避免了錐形瓶中空氣受熱膨脹在密閉前外逸；②白磷在密閉的環(huán)境中點燃，無污染。但也存在不足：導管內存有空氣，影響實驗測定的準確性。

（2）案例二：電熱引燃法

如圖3所示，將用酒精燈加熱改為電源加熱，通過測量a、b、c三個數(shù)據(jù)得出結論。實驗前先在集氣瓶里裝進a體積的水，燃燒匙里放一塊白磷，將導管的另一端放入盛有足量水的燒杯中（注：集氣瓶內的長導管伸到瓶底）。接通電源片刻，觀察到白磷立即著火燃燒，關閉電源，觀察到產生大量白煙，同時放出大量的熱。待白磷燃燒熄滅后，稍加振蕩，白煙消失，待集氣瓶完全冷卻至室溫，量出集氣瓶中水的體積是b（整個集氣瓶的體積是c）。

該裝置的優(yōu)點有：①白磷在密閉容器中點燃，不會造成污染環(huán)境；②避免了集氣瓶中空氣受熱膨脹在密閉前外逸；③用電源引燃比較方便；④集氣瓶冷卻速度較快，可節(jié)省實驗時間。但存在的不足是：①導管內仍存有空氣，影響實驗的準確性；②難以精確測量a、b、c三個數(shù)值。

2．2排除導管空氣

（1）案例一：引入注射器

如圖4所示，在圖2方法的基礎上，將注射器改為裝有100mL水的量筒，錐形瓶改為集氣瓶，單孔瓶塞改為雙孔瓶塞。實驗前先塞緊瓶塞，打開止水夾k₁、k₂，稍稍拉動注射器的栓塞，使得右側的導管里充滿水，然后關閉k₁、k₂。打開瓶塞，將吸進集氣瓶中的水倒入量筒中，將燃燒匙內裝有足量的白磷。引燃白磷，待白磷燃燒熄滅后冷卻至室溫，打開止水夾k₂，讀出量筒內剩余水的體積數(shù)。

該裝置的優(yōu)點有：①排除了右側導管內存有的空氣，精確程度相對稍高一些；②避免了集氣瓶中空氣受熱膨脹在密閉前外逸；③白磷在密閉的環(huán)境中點燃，無污染。存在的不足是：左側連接注射器的導管內仍存有空氣，影響實驗的準確性。

（2）案例二：引用吸濾瓶

將集氣瓶改為吸濾瓶(如圖5)，在吸濾瓶的支管上連接注射器。實驗前先在量筒里裝有100mL的水，打開止水夾k₁、k₂，稍稍拉動注射器的栓塞，使得右側的導管里充滿水，然后關閉k₁、k₂。打開瓶塞，把吸進吸濾瓶中的水倒入量筒中，在燃燒匙內放入過量的紅磷，再放入1顆黃豆粒大的白磷，用白磷引燃紅磷。待紅磷燃燒熄滅后冷卻至室溫，打開止水夾k₂，讀出量筒內剩余水的體積數(shù)。

該裝置的優(yōu)點有：①吸濾瓶內的氣體不會因受熱膨脹而逸出；②排除了導管內存有的空氣，提高了實驗的準確性；③紅磷在密閉容器中引燃，不會造成污染環(huán)境。存在的不足是：右側的導管里充滿水后打開瓶塞時，操作上不太方便。

3 討論與反思

化學實驗的改進是一項長期、艱巨而具有深遠意義的工程，其中有許多方面值得探究和挖掘。實驗改進不可能有一個固定的模式，我們只要做一個有心人，把平時教學過程中針對某一實驗問題的突發(fā)靈感或巧妙構想進行日積月累，就逐漸會從實驗操作者變?yōu)閷嶒瀯?chuàng)新者。一個實驗完美無缺的改進方案是極少見的，盡管我們花費了很多心血和努力，缺陷或不足仍然在所難免。如：空氣組成的探究實驗在中學化學實驗教學中，經歷了從簡單定量到精確定量的過程，研究的主要焦點是：藥品使用、點燃方式探討、導管中空氣的排除等。由于受到諸多條件的制約，無論從哪方面改，得到結論的精確程度也只能是相對的，改進后的任何一套方案也許是“仁者見仁，智者見智”。像關于白磷代替紅磷的問題，白磷雖然著火點低，易引燃，但白磷有劇毒。還有的改進方案中設想，用木炭代替紅磷，將水改為氫氧化鈉溶液，但實際的情況也很復雜，木炭塊的大小、加熱燃燒的程度等都是影響實驗結果的因素，并且木炭在密閉的容器中燃燒，不僅很難將氧氣耗盡，而且還會產生少量的一氧化碳氣體。所以我們從實驗改進中跳出來看，不難發(fā)現(xiàn)，追求改進的“過程”比獲得精確的結論更為重要，實驗改進經歷了思考、探究、創(chuàng)新的過程，從本質上說是一種追求學生化學素養(yǎng)提升的過程，從實驗教學的另一個緯度鍛煉了學生的思維能力，促進了學生的有意義學習，這正是我們今天倡導化學實驗改進的精髓所在。