基于浙教版初中科學“空氣中氧氣體積分數測定”實驗的改進和思考

沈新穎

摘 要：“空氣中氧氣體積分數的測定”是義務教育初中階段一個重要的科學實驗，各地教材雖有不同，但主要是用紅磷在集氣瓶中燃燒消耗氧氣的方法來測定，實驗安全性和準確性不高，實驗操作也較麻煩，不能滿足課堂實驗教學的需要。針對上述問題，前人已經有很多改進研究，雖然測量數據有明顯提高，但在操作性、安全性方面還存在一些不足。在前人實驗設計基礎之上對該實驗重新設計，借助玻璃注射器獨有的密封性、可伸縮性、可測性等特點，改用白磷直接在注射器內燃燒來測定，實驗可操作性強，安全無污染，測量數據準確。

關鍵詞：氧氣體積分數；玻璃注射器；密封可伸縮性；安全準確

一、教材實驗解析

（一）教材內容

“空氣中氧氣體積分數測定”是浙教版科學八年級下冊第三章第一節《空氣》一課中的重要實驗，具體實驗活動過程如下：

1.按教材配圖（圖1）所示裝置，先在集氣瓶里加入少量水，再把剩余的容積用記號劃成5等分。

2.點燃燃燒匙內的紅磷，立即塞緊瓶塞，觀察現象__________。

3.火焰熄滅后，震蕩集氣瓶，打開導管上的夾子，出現什么現象__________；瓶內水位變化__________；消耗的氣體跟剩下的氣體體積比約為__________。

實驗說明：________。

（二）實驗分析

此實驗一般只做教師課堂演示，即便是教師演示實驗，還有好多實驗環節是教師在實驗過程中不易操作的，以及一些不可避免的因素，而出現實驗數據有較大的偏差：

1.刻度劃分困難。由于集氣瓶內部空間的不規則性，集氣瓶加入少量的水后，剩余容積5等分的劃分比較麻煩。在日常教學中，好多教師由于教學任務繁重，為節約時間都是憑感覺估計著進行劃分，作為一個定量實驗，沒有準確的數據標注肯定是不科學的。當然，要較為準確標注刻度則需要借助量筒來進行，相對而言，這樣標注刻度就比較耗時。

2.實驗時有污染且偏差大。集氣瓶外點燃紅磷，紅磷在空氣中燃燒會產生五氧化二磷，雖然量較少，但多少會污染教室空氣，帶來一定的安全隱患。實驗要求點燃后立即將紅磷移入集氣瓶，理論上是越快越好，但在實際操作過程中由于燃燒匙和橡膠塞、導管相連，總有些拖泥帶水，不夠快速，造成最終實驗數據偏差較大。

3.實驗中有安全隱患。在塞緊瓶塞時，特別是女教師在實驗過程中往往沒有控制好瓶塞松緊度，反應開始階段，紅磷在瓶內燃燒加熱空氣，空氣熱膨脹的體積大于燃燒消耗的氧氣體積，使瓶內氣壓大于瓶外氣壓，會出現瓶塞彈出現象，加劇了實驗的危險性。同時在壓緊瓶塞下移的過程中，集氣瓶內的空氣其實已經被壓縮，對后續數據的測量也帶來了干擾。

4.其他影響數據測量的因素：玻璃導管中的空氣不能除去；導管液面高度不相同出現的壓力差等因素都會影響最終數據的測量。

（三）實驗方案探索

基于上述的一系列問題，前人也進行了大量的實驗設計和改進，通過資料查閱前人的實驗方案主要有以下一些：

1.方案一和方案二都是針對“快速塞緊瓶塞”這一環節不易操作進行了改進，紅磷燃燒在密閉的環境中進行，有效避免了紅磷在空氣中燃燒帶來的污染，實驗后數據較改進前有了很大的提高，但還是不能避免紅磷燃燒帶來的瓶內氣壓增大帶來的安全隱患和其他細節中的數據影響。

2.方案三用注射器中的空氣替代了方案一中的水，可以有效避免水的壓力差帶來的數據影響，使數據更加準確。但在實際試驗過程中磷燃燒初期瓶內氣壓增大，還是容易出現橡皮塞彈出等問題，且導管中仍有空氣干擾，安全性、準備性還有待于進一步提高。

（四）探索方案總結

綜合上述實驗方案設計，要簡單易操作且相對準確測量空氣中氧氣的體積分數，無非要做到以下幾個環節：

1.反應裝置必須是密閉的，整個實驗過程都保持密閉狀態；

2.能快速反應消耗氧氣，且反應易于控制；

3.反應裝置要具備密閉狀態下的可伸縮性，能避免氧化反應過程中裝置內氣壓變化帶來的安全隱患；

4.裝置本身最好具有數據讀取功能，方便直接讀數。

二、本實驗方案

借鑒前人的實驗設計，本人利用玻璃注射器巧妙解決了這一系列的問題，使實驗更加環保、安全，可操作性大大增強，實驗數據也更加準確，具體方案如下：

（一）實驗原理

本方案實驗原理與教材基本相同，只是將紅磷換成著火點更低的白磷。過量白磷在封閉的針筒內充分燃燒，消耗了空氣中的氧氣，生成五氧化二磷固體。待充分反應后冷卻，針筒內氣壓減小，注射器活塞向內運動，恢復室溫氣壓平衡后，減小的體積就是針筒內消耗的氧氣的體積。比較消耗的氧氣的體積和針筒內原有空氣的體積，從而計算出空氣中氧氣的體積分數。

（二）實驗器材

白磷、銅片（弧面、曲度與針筒內壁相同）、玻璃注射器（100mL，標準4mm口徑）、大燒杯、水槽、鑷子、熱水、冷水等。

（三）實驗過程

1.取100mL玻璃注射器，去掉金屬針頭，將活塞取出放置在盛水的水槽中，針筒放置在托盤上。

2.用鑷子取略大于米粒的白磷（過量即可），用吸水紙將其表面的水分吸干后將白磷放置在弧形銅片的中央。用鑷子把裝有白磷的銅片推入針筒底端，使銅片與針筒壁能緊密貼合（便于吸熱和散熱）。

3.安裝密閉注射器。將活塞沾水（保證其良好的密閉性，同時能減小活塞移動時的阻力）推入針筒，使針筒內的空氣體積保持在100mL，并用橡膠塞封堵注射口。密閉注射器后，將注射器固定在托盤支架上，活塞部位要留有空間，保證能正常移動。

4.用80℃左右的熱水緩慢沖淋白磷部位的針筒，針筒內空氣溫度升高，受熱膨脹，推動活塞向外運動；白磷吸熱達到著火點被點燃，劇烈反應加速空氣膨脹，繼續推動活塞向外運動。稍后，白磷充分燃燒消耗了針筒內的全部氧氣，產生五氧化二磷固體，使針筒內氣壓降低，活塞開始向內運動。endprint

5.將注射器轉移到水槽上方固定，用冷水沖淋降溫。此時針筒中剩余氣體冷卻收縮，活塞繼續向內運動，待活塞不再移動后記錄針筒內剩余氣體的體積（約為80mL）。

6.數據分析和計算：針筒內原有空氣體積100mL，充分反應冷卻后體積80mL，說明反應消耗掉的氧氣約為20mL，最終計算出空氣中氧氣的體積分數約是20%。

7.實驗器材的整理和廢物的無害化處理。

（四）實驗設計的優點

1.該設計使用玻璃注射器，取材方便且其活塞可以自由伸縮，安全性高；針筒上標注有刻度且材質透明，演示實驗中實驗過程能安全直觀呈現給學生。

2.該設計中點燃白磷采用熱水沖淋加熱的方法，方便快捷、安全可控。實驗中的弧形銅片也起到了非常重要的作用：利用銅良好的導熱性，點燃前能快速吸收熱量，幫助升溫，點燃后能快速散失熱量，防止局部高溫炸裂針筒；較大的弧面還能防止燃燒的白磷飛濺到針筒壁，防止白磷高溫燃燒造成針筒破裂。多次的實驗證明，該方案安全可靠。

3.該套實驗裝置（玻璃注射器）活塞移動靈敏，刻度標注準確，通過多次的數據測量，測得的實驗數據都非常接近實際值。教師在演示實驗中，有一個比較準確的實驗數據或成功的實驗，能為教師后續的教學過程提供理論依據，同時也為教學內容的順利講解提供保障。

4.該設計實驗原理淺顯易懂，實驗用品廉價易得，實驗操作簡單安全，實驗現象直觀明顯，實驗數據準確易讀，因此特別適合在教師指導下的學生探究實驗之用，在化學啟蒙教育初期就可以用這樣的定量實驗來提高學生的科學素養。

（五）實驗注意事項

1.注射器氣密性良好，必須是正規廠家生產的硬質玻璃材料。

2.實驗過程中活塞要保證良好的自由收縮性，活塞必須干凈，無顆粒物附著；在移動過程中必要時要加水濕潤，保證更好的氣密性和潤滑性。

3.白磷屬于?；锲罚昧坎豢蛇^多，實驗后應對殘渣進行有效處理，確保安全，無污染。

三、實驗改進的思考

“測定空氣中氧氣體積分數”的實驗活動，人教版九年級化學上冊第二單元課題1《空氣》和浙教版科學八年級下冊第三章第1節《空氣》中均采用的是紅磷在集氣瓶中燃燒消耗氧氣間接測量展開教學。雖然在實驗數據的準確性上有一定的偏差，但由于各種偏差原因的存在而使得這個普通的化學實驗變得“經典”：首先，它給老師和學生帶來了充足的思考空間，并能利用已知的科學知識加以解釋和說明偏差的原因；其次，在分析原因的同時，也激發了學生的想象空間，學生不斷對原有實驗裝置進行改進，從而提高實驗數據的準確性。這也恰恰達到了教材實驗裝置設計的目的，提升了學生的思維和能力，培養了勇于探索科學的精神，真正體現了科學教學的目的。其實本人對上述實驗的改進也是在學生質疑和探索中得到的啟發，最終打破慣例在針筒中直接點燃白磷來測量空氣中氧氣的體積分數。

上述兩種教材所選擇的實驗方案更多關注學生思維的發散和拓展，而本人的實驗設計方案更多的只是關注數據的準確。兩種實驗設計目的有所差異，所以本人的方案，用玻璃注射器來測量空氣中氧氣的體積分數無法取代教材實驗方案，它僅僅是對教材實驗的補充和延伸。

參考文獻：

[1]李德前.測定空氣中氧氣體積分數再改進[J].化學教育，2010（6）.

[2]張欣榮，等.簡便準確測定空氣中氧氣含量的方法[J].化學教育，2010（4）.endprint