測定空氣里氧氣含量實驗的探究與創新

郭濤 孫汝中 王臣珠

摘要： 針對人教版教材中“測定空氣里氧氣含量”的實驗，分析實驗誤差產生的原因及不足，提出對這個實驗的一些新認識，認為燃燒法的實驗原理適合應用于課堂演示。改進了課堂演示實驗，同時設計并開展了學生探究實驗。新設計的實驗可有效降低實驗誤差，有利于培養學生的學科素養。

關鍵詞： 空氣里氧氣含量; 實驗裝置改進; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2019）12-0055-03? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

人民教育出版社義務教育教科書《化學》九年級上冊第二單元課題“空氣”中安排了“測定空氣里氧氣含量”的實驗（如圖1所示），這個實驗是初中化學第一個半定量實驗。在實驗過程中，學生認識了空氣的存在和空氣的成分，有利于正確建構混合物和純凈物的概念[1]。在測定空氣中氧氣含量的同時，學生初步建立了定量研究思維，這對于培養嚴謹的學習態度，掌握科學的探究方法具有重要的啟蒙意義。

圖1? 人教版“測定空氣里氧氣含量”的實驗裝置

我們調研了南陽市中心城區化學實驗裝備較好的8所初中，發現這個實驗成功率大約50%左右。不少教師視這個實驗為“雞肋”： 做了，實驗效果欠佳;不做，授課缺少說服力。為此，我們對這個實驗進行了探究和改進，與同仁分享交流。

1? “測定空氣里氧氣含量”實驗的誤差分析及不足

（1） 集氣瓶瓶口與瓶體大小不一致，很難做到將水面上方空間均勻地5等分，引起測量的系統誤差。

（2） 實驗裝置的導管比較長，其中也存有空氣，這部分空氣的體積和集氣瓶體積的1/5相比，是不能忽略的。而實驗不計這部分體積，引起測量的系統誤差。

（3） 集氣瓶橫截面積比較大，水面上升高度的細微差異就會引起氣體體積的較大變化，引起實驗誤差。

（4） 燃燒的紅磷放入集氣瓶的過程中，不斷放出熱量，會使集氣瓶中部分氣體受熱逸出，造成實驗結果偏大。

（5） 紅磷劇烈燃燒，使集氣瓶內氣體壓強突然增大，有可能使塞子松動，導致裝置漏氣，造成實驗結果偏小;甚至會導致塞子彈出，使實驗失敗。

（6） 實驗操作缺少標準，不易把握。實驗過程中，取多少紅磷？在燃燒匙中燃燒多少時間？什么時候把燃燒的紅磷伸入集氣瓶中？這些操作都是依靠經驗進行的，缺少客觀的操作標準，不同的人操作，會產生不同的實驗結果。

（7） 紅磷在集氣瓶外點燃，會有P2O5白煙逸散到空氣中，污染課堂環境。

（8） 實驗耗時比較長，長時間的實驗等待容易使學生失去實驗興趣，出現教學“真空”。

2? “測定空氣里氧氣含量”實驗的認識

對近十年來關于該實驗的期刊文獻55篇作了實證研究。發現不少實驗設計過于理論化，忽略了基礎教育實際，甚至為“改進”而改進，把實驗孤立在教材之外，弱化了實驗的教學功能。

實驗是化學思維的重要基礎[2]，只有扎根教材、研究教材、領會教材，才有可能開展符合學情的實驗教學活動。

從實驗在教材中的位置來看，這一實驗設計的目的有兩個： 一是讓學生認識到氧氣約占空氣體積的1/5。本實驗是在為后面混合物和純凈物的學習做鋪墊，而不是要求非常精確地測定空氣里氧氣的含量！基于此，我們認為不宜將精密的電子感應裝置引入此實驗，這些裝置固然可以得到較精確的實驗數據，但卻明顯削弱了基礎教育階段化學實驗的探究功能。教學要立足于基礎教育實際，領會教材意圖，設計符合初中生的知識結構和認知結構的實驗。

二是在實驗教學過程中，培養學生初步建立定量研究意識，學會收集、分析實驗證據，初步建立解決復雜化學問題的思維框架。基于此，我們要在實驗中，盡可能校正誤差，培養學生的定量思維，提升學生的探究能力，發展學生的核心素養，為學生終身發展奠定基礎。

基于以上認識，我們認為這個演示實驗的改進應該立足于燃燒法。對于中學生來說，燃燒法的實驗原理是最容易理解的，且反應迅速，現象明顯，適合課堂演示。雖然這種方法在實際操作中還有一些不盡如人意的地方，但通過廣大教師同仁不懈的實驗探索和優化，并適當開展一些探究性教學活動，這些問題終會得到圓滿解決。

3? “測定空氣里氧氣含量”實驗的創新

我們在實驗的環保性、數據的精確性和演示的簡潔性等方面進行了探討和優化，收到良好的實驗效果。

[實驗用品]

體積已五等分的硬質玻璃管（15mm×250mm）、橡膠塞、單孔橡膠塞、玻璃導管（長3cm）、可放入硬質玻璃管內的鐵制容器、磁鐵、激光筆（250mW）、氣球、棉線、水槽、吸水紙;白磷、水

[實驗裝置圖]

實驗裝置見圖2。

圖2? “燃燒白磷測定空氣中氧氣含量”

的實驗裝置

[實驗步驟]

（1） 檢驗裝置氣密性。

（2） 將玻璃導管的一端伸入單孔橡膠塞（玻璃導管剛露出橡膠塞即可），另一端套上氣球并用棉線固定。

（3） 將套有氣球的橡膠塞安裝到硬質玻璃管的左端。

（4） 把載有白磷的鐵制容器（小鐵盒）放入硬質玻璃管內（白磷取綠豆大小，并用吸水紙吸干其表面水分）。

（5） 先把氣球內的氣體排盡，再在硬質玻璃管的右端安裝另一橡膠塞。

（6） 用激光筆（250mW）引燃白磷。并用磁鐵吸引小鐵盒在硬質玻璃管內緩慢移動，使裝置內的氧氣充分消耗。

（7） 待白磷不再燃燒，冷卻至室溫后，將硬質玻璃管右端豎直伸入盛有水的水槽中，在水下取出橡膠塞。

（8） 調整硬質玻璃管高度使水槽內液面與管內液面相平，待液面穩定后，塞上橡膠塞。

（9） 把裝置移出水面，將硬質玻璃管豎直（氣球端朝上），觀察液面高度。

（10） 整理實驗臺。回收實驗用水。

[實驗現象]

液面高度達到1/5刻度處。

4? 實驗改進的優點

（1） 實驗裝置簡單，操作簡便。

（2） 實驗現象直觀、明顯，可視性強。

（3） 實驗在密閉容器內進行，比較環保。

（4） 將紅磷更換為白磷，大大降低了實驗物質的著火點，一方面白磷易被點燃，另一方面能使硬質玻璃管中氧氣消耗更完全。

（5） 用小鐵盒承載白磷，在磁鐵作用下在管內移動，這有利于充分消耗試管中的氧氣，且方便實驗后儀器的清洗。

（6） 用激光筆引燃白磷，清潔、高效。

（7） 將白磷放在密閉的玻璃管內引燃，避免了氣體受熱膨脹、逸出引起的誤差。

（8） 實驗用導管很短，可避免導管過長引起的實驗誤差。

（9） 實驗排除了水的壓強對氣體體積產生的影響。

（10） 實驗裝置體積小，節約藥品，符合環保理念。

（11） 實驗操作標準化，成功率高。

5? “測定空氣里氧氣含量”實驗的學生探究

在教學中，我們開展了基于任務驅動的實驗拓展活動，引導學生運用金屬氧化法自主設計探究實驗，鼓勵學生動手實驗，體驗探究的樂趣，增強實驗技能，提升學科素養。下面是我們研發的一個學生實驗方案。

[實驗用品]

兩個同型號（350mL）的干燥的空礦泉水瓶、水槽、500mL量筒;還原性鐵粉（淘寶有售，又稱活性鐵粉）

[實驗步驟]

（1） 先把一個空礦泉水瓶裝滿水，然后打開瓶蓋，將水全部倒入量筒中，測量水的體積（VmL）。

（2） 向另一個空礦泉水瓶中加入足量還原性鐵粉（加少許氯化鈉溶液），擰緊瓶塞。上下反復振蕩，觀察現象。

現象： 礦泉水瓶逐漸變扁，瓶身略微發熱。

（3） 待冷卻至室溫后，把變扁的礦泉水瓶口（朝下）浸入盛有水的水槽中。在水下打開瓶塞。觀察現象。

現象： 鐵粉散落到水槽中，礦泉水瓶中有水進入，礦泉水瓶體恢復原狀。

（4） 在水下擰緊瓶塞，取出礦泉水瓶。然后打開瓶蓋，將水全部倒入量筒中，測量水的體積（MmL），這是消耗掉氧氣的體積。

（5） 實驗結束，整理實驗用品。

（6） 計算空氣里氧氣的體積分數： VO2%=（MmL/VmL）×100%。

實驗設計小巧，操作性強，很好地控制了實驗誤差，并且通過數據測定了空氣里氧氣的體積分數，完成了由半定量分析到定量測定的突破，增強了學生的定量研究意識。

本實驗探究立足于教材，設計符合初中生的知識結構和認知特點，易于學生接受。課堂演示實驗和學生探究實驗的設計，均有效控制了誤差，可以比較準確地測定空氣中氧氣的含量，獲得了比較滿意的探究結果。我們深刻體會到，基于任務驅動的實驗探究活動有利于培養學生的創新意識，有利于引導學生逐步掌握科學探究方法，不斷提升學生的化學學科核心素養[3]。

參考文獻：

[1]王鋒. 化學教學中基于多維視角促進學生認識發展[J]. 化學教育， 2012， （6）： 30～32.

[2]李嵐. 中學化學中的實驗與思維[J]. 化學教學， 2019， （1）： 8～10.

[3]朱鵬飛. 研究化學學科核心素養需要關注的幾對關系[J]. 化學教學， 2018， （6）： 12～18.