激光筆在測定空氣中氧氣含量實驗中的應用

王培明齊俊林

（1北京市通州區運河中學北京101101；2唐山師范學院玉田分校河北唐山064100）

激光筆在測定空氣中氧氣含量實驗中的應用

王培明1齊俊林2

（1北京市通州區運河中學北京101101；2唐山師范學院玉田分校河北唐山064100）

作者經過實驗研究發現，用激光筆照射點燃紅磷之方法來測定空氣中氧氣含量非常可取，該方法可大大地減少實驗誤差，消除空氣污染和安全隱患，在教學實際中值得推廣應用。

空氣；氧氣；含量；測定；激光筆

一、存在問題

筆者在研究九年級化學演示實驗中發現，教材中有關“測定空氣里氧氣含量”的實驗（如圖1所示）盡管方法簡單、易于操作，但存在著測定結果不夠準確、儀器易爆裂、污染空氣等問題。

圖1 教材中原實驗方法

產生較大誤差的主要原因是：點燃的紅磷放置到集氣瓶的過程中，無論動作多么迅速，都不可避免地使瓶內的空氣受熱膨脹而外逸，最終造成測定空氣中氧氣含量偏大；另外有時由于燃燒時瓶內壓強過大，向外沖擊橡膠塞，造成密封不嚴、漏氣現象發生，致使測定空氣中氧氣含量偏小。

實驗安全性較差的原因是：為了保證實驗的氣密性良好，必須將橡膠塞塞得很緊，燃燒時瓶內壓強必然增大，若其內壓強超過玻璃瓶所能承受的強度則會發生爆裂，存在人身傷害的風險。

空氣污染產生是由于在瓶外點燃紅磷時，生成的五氧化二磷（白煙），造成室內粉塵污染，影響師生健康。

二、目前研究現狀

近些年來，一些刊物上相應發表了很多有關該實驗改進文章。例如：（1）有的“用具支試管和注射器配合”完成該實驗。該方法［3］可見度低，裝置較為復雜，容易漏氣，不適合課堂演示實驗；（2）有的“用凸透鏡匯聚太陽光照射玻璃瓶內點燃白磷”的方法［4］完成實驗。該方法受外界條件（如天氣）的影響較大，更不適合在室內進行實驗；（3）有的“用電磁爐加熱鐵片引燃紅磷”的方法來完成。該實驗方法［5］加熱時反應器內氣體膨脹，橡膠塞容易被頂出，熱空氣外逸，造成實驗失敗。（4）有的“使用加熱后的玻璃棒點燃紅磷”的方法來完成實驗，該方法也存在“瓶內的空氣在紅磷燃燒受熱膨脹且通過瓶口外逸”造成實驗誤差的問題。總之，許多化學教師都在努力地研究和改進“測定空氣中氧氣含量”這一實驗，力爭解決教材中實驗方法的不足之處，但是收效甚微，沒有很好地從根本上解決教材中實驗方法存在的問題。

三、筆者設計思路

針對上述實驗方法存在的問題，我們利用激光筆、燃燒匙、玻璃瓶和燒杯為主要材料，通過巧妙構思、精心設計和大膽改進，研制出了“用激光筆照射法測定空氣中氧氣含量”的實驗新方法。其具體措施是：①將瓶外點燃紅磷，改為瓶內點燃，以解決燃燒產生五氧化二磷對教學環境的粉塵污染問題，以及點燃紅磷后燃燒匙伸入到集氣瓶內不夠迅速，致使測出氧氣含量比理論值過大問題；②用微型鐘罩代替集氣瓶，可以自行調節測定容器內的壓強，避免因瓶內氣體受熱迅速膨脹將瓶塞頂出造成的測出氧氣含量比理論值過小問題，或集氣瓶炸裂引起的安全隱患問題。

改進后的實驗裝置，充分體現取材容易，制作簡單，便于操作，現象明顯，安全可靠，綠色環保，重復性好，受外界條件影響小等現代化學實驗設計理念和特點。實驗裝置應用到實際教學中，誤差大大減少，增強了實驗的可信度，提高了課堂演示效果，增強了學生的感性認識，提高了學生學習化學的興趣，潛移默化地培養學生的創新精神。

四、實驗用品

玻璃瓶（御香齋牌枇杷秋梨膏玻璃瓶，生產者：北京天賜園食品有限責任公司；瓶口內徑：4.3cm；外徑：5cm；瓶高：25cm）1個；激光筆（藍光，2000mw，2.4cm× 12cm；如圖2所示）1支；燒杯（5000mL）2個；橡膠塞（6號）1個；燃燒匙1個；玻璃打孔器（直徑：3cm）1個；臺鉆1臺；打孔器1套；鐵鉗1把；圓柱形鋼銼1把；小號安全套1個,紅色膠帶若干。

紅磷；冷水；高錳酸鉀晶體。

圖2 大功率激光筆

五、儀器加工

1.加工玻璃瓶

取1個玻璃瓶，用玻璃打孔器在底部的中央位置打1個直徑3cm的透孔（如圖3所示）；將瓶子的體積分成6等份，然后用紅色膠帶條粘好作為標記。

圖3 加工后的玻璃瓶

2.加工燃燒匙

取1個燃燒匙，用鐵鉗在距藥勺5cm處彎成兩個直角彎（如圖4所示）。

圖4 加工后的燃燒匙

3.加工橡膠塞

（1）橡膠塞打孔

取1個6號橡膠塞，用打孔器在中心打1個大孔，然后用圓柱形鋼銼將孔銼大，使其直徑為2.5cm。

（2）裝入安全套

取1個安全套從橡膠塞的小頭端裝入孔內（如圖5所示）。

圖5 橡膠塞孔內裝入安全套

（3）裝入燃燒匙

將燃燒匙的鐵絲柄從孔的一旁插入，調整燃燒匙方向，使燃燒匙與孔相對，然后，將橡膠塞上方的燃燒匙鐵絲柄彎成900角（如圖6所示），在橡膠塞上下方的燃燒匙鐵柄上涂上凡士林，以便減小上下移動鐵柄的摩擦力。

圖6 裝入燃燒匙

（4）裝入激光筆

在安全套內插入激光筆,并使激光筆全部被安全套所包裹（如圖7所示）；調整燃燒匙與激光筆發光頭距離為10cm。

圖7 裝入激光筆

六、實驗裝置（如圖8所示）

圖8 改進后實驗裝置

七、實驗方法及其現象

1.制備溶液

取3000mL的冷水，放在1只5000mL的燒杯中，加入少許高錳酸鉀晶體（約0.01g），用玻璃棒攪拌均勻，制成稀高錳酸鉀溶液。

2.調整水面

取另1只5000mL燒杯，將玻璃瓶（瓶底有孔）放其底部；向燒杯中加入紅色高錳酸鉀溶液至液面恰好與玻璃瓶最下方的刻度線（紅色膠帶條）持平。

3.裝入紅磷

在燃燒匙里裝滿紅磷后將帶有激光筆的橡膠塞緊緊塞在玻璃瓶的瓶口處。

4.點燃紅磷

打開激光器的開關，使藍色激光照射燃燒匙內的紅磷（如圖9所示）。3～5s后，紅磷開始燃燒（4P+5O2====點燃2P2O5），并產生白煙（此時關閉激光筆的開關）。用力下插燃燒匙的鐵柄，使燃燒匙處在下數第2～3個紅色膠帶條中間位置（如圖10所示），讓燃燒的紅磷遠離激光筆的發光頭，防止烤壞激光筆頭。

圖10 下插燃燒匙的鐵柄

圖9 激光照射紅磷

5.觀察水面

待燃燒的紅磷熄滅后，瓶內的氣體冷卻到室溫狀態時，可以觀察到燒杯內水的液面下降，玻璃瓶內水的液面上升到下數第二個紅色膠帶條的下方（如圖11所示），向燒杯內加入紅色高錳酸鉀溶液至液面與玻璃瓶內的液面相平時，可觀察到玻璃瓶內的液面恰好與下數第二個紅色膠帶條在同一個平面內（如圖12所示），由此說明空氣中氧氣的體積含量約為1/5。

圖11 液面上升情況

圖12 氧氣含量測定結果

八、幾點說明

1.該實驗裝置使用玻璃瓶、燒杯均是常見玻璃器皿；作為點火器的激光筆市場有售，在實驗中充分體現了廢棄物與現代科技的有機結合的特點。

2.該裝置從整體上看，器材用量少，安裝簡單，點火方法較為巧妙，可隨時自行調節測量器內的壓強變化，儀器之間銜接處少，減少了漏氣的可能性，消除了安全隱患，為順利測定氧氣含量的準確性打下了良好的基礎。

3.由于點火、燃燒都在一個密閉的裝置內進行，消除了紅磷燃燒生成的五氧化二磷對教學環境的粉塵污染，保障了師生的健康。

4.激光筆的光線不要直射人的眼睛，防止造成燒傷。

5.激光筆照射紅磷時間1次不能超過1min，防止將激光筆電池燒壞。

6.使用高錳酸鉀溶液的目的是便于觀察現象，增大實驗的可見度。

7.實驗前調節燃燒匙與激光筆頭之間的距離要合適，既要保證紅磷燃燒時不烤壞激光筆頭，又要使紅磷順利點燃，經反復實驗證明兩者距離10cm為宜。

8.安全套的作用是密封激光筆，以防氣體從激光筆縫隙中進入或逸出，影響測定的準確性。

9.用玻璃打孔器給玻璃瓶底打孔時，要對準打孔部位邊加冷水邊打孔，防止損壞玻璃打孔器。

10.裝置使用完畢后，可以長期保存在實驗室，以備后用，做到一勞永逸。

［1］王祖浩.義務教育教科書.化學（九年級上冊）［M］.上海：上海教育出版社，2012:13

［2］王晶，鄭長龍.義務教育課程標準實驗教科書.化學（九年級上冊）［M］.北京：人民教育出版社，2006:27

［3］胡巢生.“測定空氣氧氣的含量”實驗研究［J］.化學教育，2013（11）：77

［4］平占斌.測定空氣中氧氣含量實驗六法［J］.發明與創新，2011（5）：15

［5］陳海濤，鄒軍.空氣中氧氣體積含量測定實驗的改進［J］.化學教學，2014（12）：70

［6］王國崢.空氣組成測定實驗改進［J］.化學教學，2009（3）：15

［7］朱華英，劉懷樂.對空氣中氧氣含量測定實驗的改進［J］.化學教學，2005（1-2）：21

1008-0546（2017）09-0075-03

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.09.025