進一步探究測定空氣中氧氣含量的實驗

　　一、實驗原理的探究
　　測定空氣中氧氣含量的實驗原理是固態的紅磷在點燃的條件下與空氣中的氧氣反應，生成固體五氧化二磷，從而導致瓶內的氣壓小于外界的大氣壓，所以大氣壓會把水壓入瓶內，導致瓶中的水位上升，而水位的上升，又會引起瓶內的氣壓增大，當瓶內的氣壓和外界的大氣界相等時，瓶內的水位不再上升。所以上升水位的體積等于空氣中氧氣的體積，從而測出空氣中氧氣的含量，從實驗原理進行探究，該實驗不能用硫或碳來代替紅磷，因為它們與氧氣雖能反應，但生成的二氧化硫和二氧化碳都是氣體，不能導致氣壓減小，但考慮到它們二者都有一部分溶于水，而且二氧化硫的溶解性還比較大，也會導致瓶內的氣壓減小，從而也能測出氧氣的含量，但測量的結果會偏小。另外，從環境保護的角度來考慮，使用硫來代替紅磷也是不環保的，因為二氧化硫是有刺激性氣味的有毒氣體，是一種大氣污染物。同時從實驗原理也可以得出，不能用鐵，因為鐵在空氣中是不能燃燒的。
　　
　　二、實驗結論的探究
　　從實驗現象可知，當水位變化為剩余體積的四分之一時就停止了，說明該反應消耗的氧氣體積約占空氣體積的20％左右，這里的百分比，指的是體積百分比，而不能理解成氧氣的質量約占空氣質量的20％，同時該反應后，剩余的氣體主要是氮氣，說明了氮氣不溶于水，它的化學性質不活潑，其體積百分比約占空氣體積的80％左右，進一步說明了空氣主要是由氧氣和氮氣組成的混合物。
　　三、實驗裝置的探究
　　通過實驗，我們可以得出，在相同空間內可燃物的燃燒面積大、燃燒劇烈、火焰旺，單位時間放出的熱量就多，周圍空氣受熱膨脹程度(范圍)也就大；燃燒面積小、燃燒不劇烈、火焰不旺，單位時間放出的熱量就少，空氣受熱膨脹程度也就小。所以，本實驗選擇的反應容器大小要適中(如選擇250mL左右的廣口瓶)；由于該裝置中，點燃燃燒匙內的紅磷后要立即塞緊瓶塞，從理論上講是可行的，但考慮到人的反應再快也需要一定的時間，所以也會造成一定的誤差。所以，若采用兩端開口的透明的玻璃容器，一端先插上橡皮塞和燃燒匙，燃燒匙內預先放好紅磷，另一端插入盛水的水槽中，再利用凸透鏡對光的會聚作用來點燃紅磷，可以提高實驗的精確度。另外，由于水的顏色與玻璃容器的顏色比較接近，觀察水面上升的時候不太明顯，因此，可以往水里滴上幾滴藍黑墨水，這樣可以有效增強實驗的可視性。
　　
　　四、實驗注意事項及其造成誤差的探究
　　1　要檢驗裝置的氣密性是否良好。如果裝置的氣密性差，會導致測量結果偏差較大，所以實驗前一定要檢驗裝置的氣密性。
　　2　需在集氣瓶里先加入少量的水。因為紅磷與空氣中的氧氣反應會放出大量的熱和白煙，如果沒有水會導致集氣瓶破裂，從而造成實驗失敗；另一方面，水的存在能有效地吸收白煙，即五氧化二磷，且這種物質是有毒的，所以，放水就顯得尤為重要了。
　　3　燃燒匙中的紅磷要充足。原因是如果紅磷不足，會造成瓶內的氧氣反應不完全，從而所測得的氧氣體積會比真實的體積偏小。另外，即使紅磷充足，氧氣也不會完全消耗完的，因為當氧氣的濃度較低到一定數值時就不能達到助燃的作用，再多的紅磷也只有熄滅了，所以實驗結論只能是氧氣體積百分比約等于20％。
　　4　點燃紅磷后要立即塞緊瓶塞。若不能立即塞緊，外界的空氣會進入瓶內，相當于瓶內的氧氣沒有反應完，也會造成所測得的氧氣體積會比真實的體積偏小。
　　5　反應完后要等到裝置冷卻到室溫才打開止水夾，否則瓶內氣溫高于外界氣溫，根據理想氣體狀態方程可知，進入瓶內的水會偏少，這樣所測得的氧氣體積百分比小于20％。
　　6　止水夾要夾緊。由于紅磷與空氣中的氧氣反應放出了大量的熱，引起瓶內氣體膨脹，從而導致瓶中氣體從導管逸出，相當于反應掉的氧氣增多，所測氧氣的體積要比真實的體積偏大，即測得的氧氣體積百分比大于20％。所以，可以預先在導管里先充入水，這樣既能提高裝置的氣密性，又能防止氣體從導管中逸出。
　　在實驗中積極引導學員進行多角度探究，對深化實驗、完善實驗、拓展實驗、活化實驗，形成正確的實驗操作技能，有著非常重要的作用。通過對實驗的探究，使學員對已掌握的知識有更深的理解，能培養他們熱愛化學，學好化學的興趣，不斷探索未知的化學世界。
　　(作者單位第二炮兵青州士官學