燃磷法測定氧氣含量實驗的新改進

2017-07-25 08:58:06王發應季勇福周鳳頂李太銳

化學教學 2016年12期

王發應+季勇福+周鳳頂+李太銳

摘要：磷及其燃燒產物和水化物都有較大毒性，而且最終都可能被排放到環境中會造成污染。為解決“測定空氣中氧氣含量”實驗的污染問題，我們經過實驗探究，最終根據氫氧化亞鐵易被空氣中氧氣氧化的性質，利用過量氫氧化亞鐵吸收一定體積空氣中氧氣的方法對該實驗進行改進獲得了成功。此改進實驗具有裝置簡化、操作簡單、無污染等優點。

關鍵詞：燃磷法；測定空氣中氧氣含量；綠色化學；氫氧化亞鐵；實驗改進

文章編號：1005–6629（2016）12–0053–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

測定空氣中氧氣含量是初中化學的第一個定量實驗，對于培養中學生嚴謹的科學態度、規范的操作方法、環境保護的意識等方面具有重要的意義和作用。但目前對該實驗的研究中，主要是從兩角度進行改進：一是對裝置進行改進，將教材中的敞口裝置改為密閉裝置，而所選用的耗氧物質仍然是紅磷；二是用白磷代替紅磷，目的是降低引燃的難度。但這兩種改進方法都是治標不治本，并沒有從根本上解決實驗中的污染問題。

為了從源頭上解決“測定空氣中氧氣含量”實驗的污染問題，我們受氫氧化亞鐵易被氧化的性質啟發，利用過量氫氧化亞鐵吸收一定體積空氣中氧氣的方法對該實驗進行改進，結果獲得了成功。

1 燃磷法測定氧氣含量實驗的思考

1.1 對磷及其燃燒產物毒性的探究

經資料查閱了解到除紅磷本身無毒外，其燃燒產物及其水化物、白磷本身以及燃燒產物及其水化物均有毒，甚至為劇毒，都是有危害的藥品，使用中都要防止與人體接觸。但目前在實際使用中，特別是實驗教學中產生的煙塵卻又是不可避免的，無論采取何種方式處理產物，它們最終都可能被排放到環境中。因此，無論是用紅磷還是白磷，無論對實驗裝置如何改進，只要我們使用燃磷法來測定空氣中氧氣含量，環境都會被污染，師生的健康就會遭受傷害。但燃磷法測定空氣中氧氣含量的實驗方法卻用了幾十年，非常令人費解。

1.2 對實驗教學中污染問題的思考

有的專家在談到教學中的污染問題時，說實驗教學中產生的污染物對于整個環境來說是微不足道的，這類實驗并沒有改進的必要。而且還說“如果不讓學生體驗一下，他們如何認識到這些物質是污染物？”，這不知是何邏輯！

也許，某一次教學中產生的污染，對于整個環境來說可能是微不足道的，對師生健康的傷害也不是那么明顯。然而，我們改進或優化這類實驗的目的，正是為了通過解決教學中的污染問題，使學生樹立保護環境的意識，增強他們的社會責任感，這與我國“培養德、智、體等方面全面發展的社會主義事業建設者和接班人”的教育目的[1]是完全相吻合的。

在各種雜志上曾發表很多對測定空氣中氧氣含量實驗的研究論文[2～9]，有的是對實驗裝置的改進，將教材中的敞口裝置改為密閉裝置，有的是將紅磷改為白磷，最后在對改進后實驗的優點的描述中，他們一致認為，這樣的改進“完全避免了環境污染，符合綠色化學的理念”，其實并不盡然。

1.3“綠色化學”的涵義

“綠色化學”由美國化學會（ACS）提出，目前得到世界廣泛的響應。其核心是利用化學原理從源頭上減少和消除工業生產對環境的污染；反應物的原子全部轉化為期望的最終產物[10]。

這句話的關鍵詞應該是“從源頭上減少和消除工業生產對環境的污染”，達到“零排放”。但是，無論是教材實驗還是研究者們的改進實驗，實驗結束后的廢棄物是怎么處理的？倒入廢液罐（缸）？然后呢？最終還是倒入下水道，進入環境。

如果要完全避免環境污染，符合綠色化學的理念，那就不應該使用有毒或者本身無毒但在實驗過程中產生有毒有害的物質，或者即使產生了有毒有害的物質，但經過簡單的處理后，能夠轉化為無毒無害的物質，排放后對環境無害，或者最終的產物能夠進行回收循環使用，從而達到零排放。

那么，在中學階段，有沒有符合這一要求的物質和實驗方法？

2 對燃磷法測定氧氣含量實驗的改進

高中化學“氫氧化亞鐵制備實驗”中的實驗現象為：新制硫酸亞鐵與氫氧化鈉反應產生的白色氫氧化亞鐵沉淀在空氣中氧氣的作用下迅速變為灰綠色，最后變為紅褐色的氫氧化鐵，整個變化過程大約只需三分鐘，這還是在不振蕩的情況下，如果進行振蕩，所需時間應該更短。假設在一密閉容器中利用這一反應來消耗一定體積空氣中的氧氣，然后根據反應前后氣體體積的變化情況，應該能夠計算出空氣中氧氣的含量。于是設計了如下實驗來對我們的猜想進行驗證。

2.1 實驗原理

首先，在課前用過量的鐵粉和飽和硫酸鐵溶液反應制備硫酸亞鐵溶液備用：

需要消耗飽和硫酸亞鐵溶液的體積計算如下。

從表1中可知，20℃時飽和硫酸亞鐵溶液濃度為：

（152÷278）×48g≈26.3g

26.3/（26.3+100）×100%≈20.8%

雖然查不到飽和硫酸亞鐵溶液的密度，但我們可以進行估算，100g水的體積為100mL，假設配制好溶液后溶液總體積不變，則飽和硫酸亞鐵溶液的密度為：ρ=m/V=（100+26.3）÷100=1.263 g·mL-1，由密度公式m=ρV、溶質質量分數的計算公式a%= m質/m液×100%和溶質質量分數與物質的量濃度的換算公式c=1000ρ·a%/M得：

V=m質/（ρ·a%）=0.057g÷（1.263 g·mL-1×20.8%）≈0.22mL

c=1000ρ·a%/M=1000×1.263×20.8%÷278≈0.944 mol·L-1

亦即，消耗10mL空氣中的氧氣大約需要飽和硫酸亞鐵溶液0.22mL，但由于以上數據為估算值，實際使用量可能要多一些，但出入應該不大。為了充分消耗氧氣，同時為了方便實驗操作和數據處理，我們取3mL 1 mol·L-1硫酸亞鐵溶液和7mL 1 mol·L-1氫氧化鈉溶液進行實驗。

2.4 實驗方法

（1）取20mL玻璃注射器，先抽取3mL 1 mol·L-1硫酸亞鐵溶液，再抽取7mL 1 mol·L-1氫氧化鈉溶液，用拔掉不銹鋼針管并封閉了針孔的針頭帽封閉注射器出口，充分振蕩使兩種藥品充分反應，生成白色氫氧化亞鐵，觀察發現反應后體積幾乎沒有變化，仍為10mL。然后拔掉針頭帽抽入10mL空氣，此時注射器活塞所在位置的顯示數恰好為20mL，再次封閉注射器出口。

（2）充分振蕩約3min，使氫氧化亞鐵和裝置內空氣中的氧氣充分反應。將裝置橫置（玻璃注射器活塞與筒壁間的摩擦系數極小，對壓力感應靈敏，能自動調節裝置內外的壓力保持一致，橫置可以避免注射器活塞重力對氣體體積的影響），讀取注射器活塞所在位置的顯示數（由于實驗中所用兩種藥品遠遠超過消耗氧氣的所需量，所以實驗中反應產生的沉淀即使放置幾天最終也不能全部變為灰綠色，而注射器活塞的顯示數也基本沒有變化，說明裝置中的氧氣已完全被吸收）。

（3）實驗結束后，將混合物注入燒杯中，靜置分層后，將上層清液倒入指定容器中，然后向燒杯中加入稀硫酸使沉淀溶解，得到硫酸鐵和硫酸亞鐵混合溶液，再加入過量鐵粉，又得到硫酸亞鐵溶液，從而使藥品得以循環使用，避免了環境污染。