對“空氣中氧氣體積分數的測定”實驗分析與改進

林旺金 張惠嬌

摘要： 評析幾個不同版本教材中的空氣中氧氣體積分數測定實驗，指出該實驗在課堂演示操作中存在的問題。設計新的實驗方案，對實驗方法、裝置及藥品進行改進。用白磷代替紅磷，把水改成滴有酚酞的氫氧化鈉溶液，用Y型試管和注射器代替原裝置，使實驗測定過程在密閉系統中進行，提高了實驗的成功率、安全性和實用性。

關鍵詞： 空氣中氧氣體積分數的測定;白磷;Y型試管;實驗裝置改進

文章編號： 10056629（2018）3006203 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 教材中的實驗設計比較分析

“空氣中氧氣體積分數的測定”是初中化學教材中一個重要的定量演示實驗。不同版本的初中化學教材，闡述的“空氣中氧氣體積分數的測定”實驗方法基本相同，都是利用紅磷燃燒消耗集氣瓶中的氧氣，使集氣瓶內的壓強減小，從而使燒杯中的水沿著導管進入集氣瓶，利用進水的體積測算出氧氣約占空氣總體積的1/5。但不同版本的教材存在一定的差異，實驗裝置分別如圖1～3所示。人教版教材是將集氣瓶內預先加入少量水，將液面上方的空間五等分 [1];粵教版教材要求用記號將集氣瓶容積五等分，根據圖示同樣在實驗前加入少量的水 [2];滬教版教材直接將集氣瓶容積五等分，不要求預先加水 [3]。通過比較，筆者認為： 以人教版的實驗設計為例，實驗前在集氣瓶內預先加入少量水可以防止熱的生成物濺落炸裂瓶底，吸收生成的五氧化二磷和燃燒放出的熱量，幫助裝置冷卻;實驗將預先加水后的液面上方空間五等分，使最終測定結果更加直觀準確。然而不同版本教材關于“空氣中氧氣體積分數的測定”的實驗，在實際課堂教學演示操作中都存在一些問題，需要有針對性地進行分析，并對實驗的方法、裝置及藥品進行改進。

圖1 人教版教材中“測定空氣中氧氣含量”的實驗裝置

圖2 粵教版教材中“測定空氣中氧氣含量”的實驗裝置

圖3 滬教版教材中“測定空氣中氧氣含量”的實驗裝置

2 教材實驗的問題

按圖1，往175mL的集氣瓶中裝滿水，并塞緊橡膠塞，然后打開橡膠塞，將集氣瓶內的水倒入500mL的量筒中，量得除橡膠塞外，集氣瓶內的容積為150mL，接著往集氣瓶內注入30mL水，標出液面高度，繼而分四次每次量取24mL水陸續注入集氣瓶中，并標出每次加水后的液面高度。檢查裝置的氣密性，給水平導管注滿水，夾緊止水夾，在容器外點燃紅磷后伸入175mL的集氣瓶中，蓋緊瓶塞，集氣瓶內產生大量白煙，火焰很快熄滅，紅磷燃燒停止。待裝置冷卻至室溫，白煙消失，燃燒匙中還有紅磷剩余。打開止水夾，進水量遠小于空氣總體積的1/5，甚至無法進水，實驗效果很不理想，同時實驗過程中還暴露出以下幾點問題：

（1） 紅磷燃燒放出大量的熱，容易將橡膠塞彈出。

（2） 水平導管內要先裝滿水，操作難度大。

（3） 容器較大，消耗藥品較多，容易造成藥品浪費。

（4） 實驗時必須先在容器外點燃紅磷再伸入集氣瓶內，該過程中紅磷燃燒生成的有毒白煙（P 2O 5）擴散到空氣中，污染環境，有害師生健康。

（5） 對集氣瓶刻度處理操作復雜，容積五等分很難精確把握，裝有燃燒著的紅磷的燃燒匙在伸入集氣瓶時，部分空氣受熱膨脹從集氣瓶口逸出，容易產生實驗誤差。

（6） 容器內外兩個液面高度之差造成的外界氣壓與容器內的氣壓之差對氣體體積測定產生一定的影響。

（7） 裝置氣密性要求很高，而且紅磷燃燒很難完全消耗裝置內的氧氣，實驗很難成功。

（8） 裝置冷卻至室溫時間長，且水為無色，能見度低，影響課堂教學效果。

按圖2和圖3的操作都有以上類似問題。

3 “空氣中氧氣體積分數的測定”實驗改進

3.1 實驗用品

Y型試管、打火機、酒精燈、鑷子、50mL注射器、鐵夾、鐵架臺、100mL量筒;白磷、酚酞溶液、氫氧化鈉溶液

3.2 實驗裝置

圖4 實驗改進裝置

3.3 實驗步驟

（1） 檢查裝置的氣密性。

（2） 測量Y型試管（除橡膠塞）的容積，記為amL。

（3） 用注射器吸取一定量加有酚酞的氫氧化鈉溶液，并將針頭塞進單孔橡膠塞中，讀取注射器活塞停留的刻度處bmL。

（4） 用鑷子取足量的白磷用濾紙吸干表面的水，放入Y型試管的一端，并迅速塞緊帶有注射器的橡膠塞。

（5） 將Y型試管固定在鐵架臺上，用酒精燈對裝有白磷的一端加熱。隨著白磷的燃燒，注射器內的氫氧化鈉溶液慢慢流入Y型試管的另一端。

（6） 等白磷燃燒和緩慢氧化停止，旋轉Y型試管，使氫氧化鈉溶液進入裝有白磷的一端，加速冷卻，待試管溫度降到室溫，觀察注射器活塞停留的刻度處cmL。

（7） 根據（b-c）mL/amL乘以100%求算空氣中氧氣的體積分數。

3.4 注意事項

（1） 測量Y型試管（除橡膠塞外）的容積時，注滿水塞緊橡膠塞后，應標出橡膠塞在Y型試管中最深處的記號，再將水倒入100mL的量筒內，以便實驗時確定橡膠塞的深度減少實驗誤差。

（2） 用注射器吸取溶液時，應保證注射器中的溶液沒有氣泡，可以采用少量多次的吸取方法;也可以快速吸取后將針頭朝上，把氣泡趕到針孔下端，推動活塞，將氣體趕盡，靜置一段時間。

（3） 注射器連接Y型試管，與桌面所成夾角不得大于45°，防止注射器內溶液因重力作用自然流下。

（4） 白磷燃燒前，已準備好的無氣泡的氫氧化鈉溶液的體積必須大于10mL，以確?？梢酝耆畛浔幌牡难鯕怏w積。

（5） 加熱前，應保證裝有白磷的Y型試管一端管口略傾斜向下，防止冷凝水倒流或實驗過程中注射器內溶液進入時，使熱的Y型試管一端驟冷炸裂。

（6） 所取的白磷必須足量，根據實驗室Y型試管中氧氣的體積為10mL，進行計算所需白磷的用量大概為0.011g，意味著實驗過程中所取的白磷必須要大于0.011g，確保把裝置內氧氣完全消耗。

3.5 實驗改進后的效果

實驗前測得Y型試管（除橡膠塞）的容積為50mL，白磷燃燒后放出熱量，產生大量的白煙，注射器內的紅色溶液進入Y型試管中冷熱交換，2分鐘左右待裝置冷卻至室溫時，直接從注射器中讀取進水量非常接近10mL，氧氣的體積分數為10mL/50mL=1/5。實驗環保、便捷、精確、耗時短、現象明顯。

3.6 實驗改進后的優點

（1） 裝置簡單，操作簡便，無需給水平管注水，也不需要打開橡膠塞。

（2） 注射器始終傾斜向上，裝置密閉性好。

（3） 實驗始終在密閉裝置中進行，減少環境污染，減小實驗誤差。

（4） 實驗改用Y型試管，藥品需要量少，節約藥品，水進入Y型試管中冷熱交換合理，避免Y型試管受熱驟冷而破裂。

（5） 將紅磷改為白磷，可以在短時間內較完全地消耗裝置中的氧氣，提高了實驗的精確度。

（6） 將水改成滴有酚酞的氫氧化鈉溶液，可以吸收白磷燃燒可能產生的氣體雜質如CO 2、 SO 2等，排除可能出現的氣體干擾。滴有酚酞的氫氧化鈉紅色溶液使現象明顯直觀，用注射器代替燒杯，可見度高，可以直接觀察讀取進水量，同時可以更好更快地吸收燃燒產生的有毒產物五氧化二磷，提高了課堂效率和安全性。

4 實驗改進后的反思

對“空氣中氧氣體積分數的測定”實驗的改進，是在一次次的失敗中得到提高和完善的。雖然改進后，增強了實驗效果，提高了課堂實效，但是所選的改進藥品白磷有劇毒，著火點低，如果環境溫度過高，很容易發生自燃;燃燒的產物五氧化二磷和氫氧化鈉溶液反應后的產物依然有毒，氫氧化鈉溶液有腐蝕性，實驗結束后藥品處理仍存在一定的困難，因此只適合教師做課堂演示實驗，不利于學生自主探究。所以筆者認為教師可以鼓勵學生在理解實驗原理的基礎上，從生活出發，感悟生活，從生活中取材，自主設計實驗，在不斷的設計、實驗、反思中完善方法，提高學生的思維能力、動手能力和創新意識。比如： 可以利用一些裝置和熱帖（暖寶寶）中的藥品進行實驗 [4]，操作簡單，誤差較小，藥品安全容易處理，適合學生動手實驗，把生活和課堂巧妙地融合在一起，趣味性強，有利于提高學生的科學素養。

參考文獻：

[1]王晶，鄭長龍主編.義務教育教科書·化學[M].北京： 人民教育出版社， 2012： 101.

[2]江琳才主編.義務教育教科書·化學[M].北京： 科學出版社，廣州： 廣東教育出版社， 2012： 72.

[3]王祖浩，王磊主編.義務教育教科書·化學[M].上海： 上海教育出版社， 2012： 71.

[4]張潔，宋守娟.“測定空氣中氧氣的含量”實驗的改進和反思[J].化學教學，2015，（4）： 50～53.