排水法收集氧氣時機選擇的實驗探究

張章錄

摘要：以加熱高錳酸鉀制取氧氣為例，借助手持技術的數字化實驗手段證實了“氣泡連續、均勻冒出”時排出的氣體中氧氣濃度僅為28.7%左右。結合氧氣性質的實驗，探討并確認了“氣泡連續、均勻冒出”后25秒左右才是排水法收集氧氣最適宜的時機。

關鍵詞：排水法；氧氣收集；時機選擇；實驗探究

文章編號：1005–6629（2015）7–0068–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

排水法收集氧氣由于其收集的氧氣濃度較排空氣法高，且實驗完成直觀可見，常是實驗室制取氧氣首選的集氣方法。對于排水法收集氧氣的具體操作細節教科書中雖然沒有作詳細的表述[1]，但在與教科書配套使用的教師教學指導書中有“為收集到較純的氧氣，要等導管口均勻冒出氣泡時才收集”[2]的表述。為此，將“氣泡連續、均勻冒出”作為開始收集氧氣最適宜的時機是公認的普遍做法，大家習慣性認為此時排出的氧氣已經比較純凈。事實真的如此嗎？過去受實驗工具限制，這種做法的準確性并沒經過具體的實驗論證，只是作為一個“經驗性結論”沿續下來。現在有了手持技術這一研究手段，其數字化的研究優勢能夠為該結論的可靠性論證提供有力的數據支持。

2 問題的研究

2.1 氧氣濃度的測定實驗

利用濃度傳感器測定“氣泡連續、均勻冒出”時氧氣的濃度，并通過數據采集器和計算機繪制濃度變化曲線，從而獲取實驗所需的相關數據。具體實驗過程如下。

采用加熱高錳酸鉀的方法產生氧氣，測定不同時刻從試管排出的氣體中氧氣的濃度，所用裝置和儀器如圖1所示（試管規格30×200mm；玻璃導管內徑4mm，長度400mm）。

實驗過程中產生的氧氣通過一個倒置在水中的漏斗收集。加熱藥品的時間（預熱后對藥品集中加熱時開始計時）與對應排出氣體中氧氣濃度的數據通過與漏斗相連的傳感器進行測定，所得數據的圖像如圖2所示。

圖2顯示，反應過程中氧氣濃度的變化呈現四個主要時段：加熱初期，氧氣濃度逐漸增大（初始每秒增加0.1%，隨后為0.5%～1%）；接著快速增大（每秒遞增2%～3%）；然后又逐漸變緩（每秒增加0.5%～1%）；最后趨于穩定。結合實驗過程觀察到每一時段氣泡冒出的情況，將相關信息歸納如表1所示。

從表1可以看出，在加熱藥品的第I時段后期（11～16s），氣泡已經連續、均勻且快速冒出，但此時從試管中排出氣體中氧氣的濃度最多只有28.7%左右。為此，教材中“當氣泡連續、均勻冒出時表示排出的氧氣已經比較純凈”的說法是不符合真實情況的。

2.2 不同時機收集氧氣的性質實驗

氧氣濃度的測定實驗證明加熱高錳酸鉀制取氧氣時，當氣泡連續、均勻冒出時，從導氣管排出的氧氣還是不夠純凈的。當然這并不能說明此刻不能作為收集氧氣的時機，因為對于初中氧氣性質實驗而言，氧氣濃度只需達到一定的數值，即滿足實驗要求即可。因此，此時收集的氧氣能否達到完成氧氣性質實驗的濃度要求，成為判斷是否是收集氣體適宜時機的關鍵所在[3]。為此，又進行以下的實驗。

如表1所示，參照“氣泡連續、均勻冒出”時“加熱時間”的情況，選取第I時段中期（對藥品集中加熱后10秒左右，下稱“時機1”）、第II時段的初始期（對藥品集中加熱后15秒左右，下稱“時機2”）及第III時段的初始期（對藥品集中加熱后35秒左右，下稱“時機3”）這三個時間點為開始收集氧氣的時機進行實驗。

采用加熱高錳酸鉀的方法產生氧氣，按照所選擇的三個時機分別進行排水法收集氧氣的實驗，每個時機各進行4次收集氧氣的實驗（每次實驗所用的高錳酸鉀質量相同、預熱時間保持相同），分別收集4瓶容積為150mL的氧氣（其中1瓶預留少量的水）。利用不同時機收集到的氧氣分別進行帶火星的木條復燃、木炭燃燒、蠟燭燃燒及鐵絲燃燒等實驗，記錄觀察到的實驗現象，具體情況如表2所示。

從實驗結果來看，“時機1”收集的氧氣能滿足帶火星木條復燃的實驗要求，只能基本達到蠟燭燃燒的實驗要求，而沒能達到木炭燃燒和鐵絲燃燒的實驗要求；“時機2”收集的氧氣雖然能完成所有的四個實驗，但木炭燃燒和鐵絲燃燒的實驗效果不理想；“時機3”收集的氧氣進行的四個實驗效果均很理想。

2.3 結果與討論

2.3.1 排水法收集氧氣的適宜時機

縱觀選擇的三個時機收集氧氣進行實驗的效果來看，“時機3”即氣泡連續、均勻冒出后35秒左右收集的氧氣進行實驗的效果較為理想。根據氧氣濃度只需達到實驗要求這一原則，所以排水法收集氧氣的時機應以氧氣能否達到完成氧氣性質實驗的濃度要求為標準，為此“時機3”可認為是排水法收集氧氣較為適宜的時機。

2.3.2 實驗結果實際應用的討論

在具體的制取實驗中，采用“時機3”作為排水法收集氧氣的起始時刻是較為合理的做法，但此時機不好把握，需要借助計時工具。而采用易于判斷的“時機1”收集到的氧氣卻基本不能達到實驗要求。根據已有的實驗經驗，在“時機1”（即氣泡剛剛連續均勻冒出后）收集一瓶容積50mL的氧氣，一般需要30秒左右的時間，此時刻剛好與“時機3”的時間點基本一致，因此筆者認為在進行排水法收集氧氣的實驗時，可采用折中的做法進行收集氧氣適宜時機的判斷，即仍以“氣泡連續、均勻冒出”為氣體的收集起始時刻，收集滿一瓶50mL的氧氣（此瓶氧氣一般不用于實驗，主要起計時作用）后，方為收集氧氣的適宜時機。

2.3.3 有關實驗操作誤差的討論

在具體的實驗操作過程中，由于藥品堆放的方式、預熱的方式、試管的規格、導氣管的粗細長短、集中加熱的部位以及酒精燈火焰的大小等因素不盡相同，都可能使該實驗確定的三個不同時機所對應的時間存在一定的偏差。

3 結論

實驗表明，排水法收集氧氣時，當“氣泡連續、均勻冒出”，從試管中排出氣體中氧氣的濃度最多只有28.7%左右，此時進行收集的氣體不能滿足氧氣性質實驗的基本要求，所以傳統的教學將“氣泡連續、均勻冒出”作為開始收集氧氣最適宜時機的做法是不符合真實情況的。只有在“氣泡連續、均勻冒出”后35秒左右再開始收集，得到的氣體進行氧氣性質實驗的效果才較為理想。為此，將“氣泡連續、均勻冒出”后35秒左右確定為排水法收集氧氣的最適宜時機。

參考文獻：

[1]王祖浩主編.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2014：35.

[2]王祖浩主編.義務教育課程標準實驗教科書·化學教師教學指導書（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2006：35.

[3]鄭長龍.化學實驗課程與教學論[M].北京：高等教育出版社，2009：160.