數字化實驗對傳統實驗的改進與創新*——空氣中氧氣含量測定的誤差分析及解決策略

2016-04-20 08:21:20俊武學良1安徽省霍山第二中學安徽霍山3700合肥市海頓學校安徽合肥30000

化學教與學 2016年1期

高　俊武學良（1安徽省霍山第二中學　安徽　霍山　3700；合肥市海頓學校　安徽合肥　30000）

高俊1**武學良2
（1安徽省霍山第二中學安徽霍山237200；2合肥市海頓學校安徽合肥230000）

摘要：傳統空氣中氧氣含量測定實驗結果偏重于于定性，對燃燒物紅磷的選擇也有不足之處，通過數字化實驗對傳統實驗改進與創新，不僅讓實驗生活化和科技化，而且使實驗結論更為精確和直觀化。

關鍵詞：氧氣含量測定；誤差分析；數字實驗；實驗改進

*該實驗教學獲得2015安徽省實驗說課大賽一等獎。

**通訊聯系人：E-mail：gaojun1975008＠sina.com

一、發現問題

在進行2012人教版九年級化學第二單元課題一空氣教學時，演示實驗測定空氣中氧氣含量（裝置如圖1），課堂上發現進入集氣瓶中水的體積超過了五分之一，于是和學生一起分析實驗不成功的原因。

圖1　

二、問題分析

1.測量值偏小誤差分析及對策

（1）首先要檢查裝置的氣密性。

尤其是玻璃導管和橡皮塞連接的地方（圖1中A處）、橡皮塞塞入集氣瓶的部位（圖1中B處）、橡皮管連接玻璃導管的部位，這些都是容易漏氣的地方，用手握法檢查整個裝置的氣密性，如有漏氣，重點檢查這幾個部位，涂抹凡士林。如漏氣則集氣瓶內外難以形成理想的壓強差，導致進水體積偏小。

（2）紅磷一定要足量，保證最大程度消耗瓶內氧氣。

紅磷在酒精燈上加熱點燃一定要充分，否則一進入集氣瓶就熄滅；紅磷一定要足量，否則不能有效耗盡瓶內氧氣，導致進水體積偏小。

（3）等到完全冷卻時觀察，否則由于瓶內剩余氣體受熱膨脹，阻止燒杯中的水流入集氣瓶，導致進水體積偏小。

（4）橡皮管內要注滿水（圖1中C處），否則有一部分水會因滯留在橡皮管內而無法流入集氣瓶，導致進水體積偏小。

2.測量值偏大誤差分析及對策

（1）橡皮塞上的直角彎管盡可能短，止水夾盡可能夾在離集氣瓶的橡皮管近端，夾得過遠，則橡皮管內氧氣也參與反應，導致有過量的水流入集氣瓶，測量值偏大。

（2）止水夾一定要夾緊，甚至把橡皮管折疊再夾住，否則紅磷燃燒，瓶內氣體受熱膨脹從未夾緊的橡皮管內逸出，讓出更大空間，進來過量的水，導致測量值偏大。

（3）將燃燒的紅磷插入集氣瓶內動作要快，如果過慢，導致瓶內氣體受熱膨脹而逸出，讓出更大空間，會進入更多體積的水導致測量值偏大。

三、改進與創新研究

如果想要得到更為精確的測定結果，可以借助水，用量筒測量集氣瓶所裝空氣體積；然后倒入一定體積（量筒測量）的水入集氣瓶，防止高溫熔融物爆裂瓶底；實驗結束用量筒測量集氣瓶內的水的體積，計算空氣中氧氣所占體積分數。

即便如上所述，測定空氣中氧氣含量和教材中的21%也是懸殊較大，原因在于紅磷消耗氧氣的能力還不是最理想的，換句話說，足量紅磷燃燒停止后，集氣瓶內還是有體積可觀的氧氣存在，這一點我們通過如下實驗得到證明。將錐形瓶放入冷水中，向瓶中放入一小塊白磷。點燃足量的紅磷迅速伸入錐形瓶中，塞緊瓶塞。觀察到紅磷燃燒，產生大量白煙，而瓶底的白磷沒有反應。燃燒熄滅后待錐形瓶完全冷卻，取出擦干瓶外的水、置于石棉網上加熱，觀察到瓶底的白磷與瓶中的剩余氧氣反應產生大量白煙。這說明足量的紅磷燃燒并沒有把密閉容器中的氧氣耗盡。

為進一步得到準確數據，采用數字化實驗進行定量測定：為了避免白磷燃燒產生高溫對氧氣傳感器的損壞，改用三頸燒瓶作反應容器（圖2）。在瓶底放一點細砂，將白磷置于細砂上稍稍加熱點燃，白磷燃燒產生大量的煙。瓶中氧氣含量變化曲線如下，當時間進行至479秒時，氧氣濃度達到最低值3.21%。

圖2　

圖3　

師生共同查閱資料，經過討論，可以利用還原性鐵粉與氧氣反應。于是，我們找到生活中一種常見的原料——暖貼（即暖寶寶）來實驗，它的發熱原理恰是利用鐵粉的緩慢氧化。取一塑料瓶剪去瓶底，2片暖貼粘在塑料瓶內壁，將氧氣傳感器伸入瓶內，密封、固定。把去底瓶子放到水槽中，將瓶內液面調整與水槽內液面相平，采集數據，注意觀察數據的變化和塑料瓶內液面的變化，塑料瓶內水面慢慢上升，氧氣含量逐漸下降，瓶內水位，氧氣含量趨于0，最終穩定在0.21%。