用食品脫氧劑測(cè)定空氣組成實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

馬志超 伍強(qiáng)

摘要： 闡述精確測(cè)量空氣組成的意義，指出現(xiàn)有測(cè)量方法的不足之處，改進(jìn)用食品脫氧劑測(cè)定空氣中氧氣含量的方法。采用粗細(xì)均勻且長(zhǎng)度與內(nèi)徑比值大于100的有機(jī)玻璃管作為實(shí)驗(yàn)儀器，通過(guò)測(cè)定密閉體系中空氣在脫氧前的體積及在脫氧后減少的體積的比值，精確地測(cè)定空氣中氧氣含量為20.94%。根據(jù)食品脫氧劑的脫氧效果，分析討論氣體體積測(cè)量裝置能精確測(cè)量氣體體積和空氣組成的原因。

關(guān)鍵詞： 測(cè)定空氣組成; 食品脫氧劑; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號(hào)： 10056629（2019）7006603中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

英國(guó)學(xué)者柏廷頓[1]在1957年版的《化學(xué)簡(jiǎn)史》中指出，18世紀(jì)末，一場(chǎng)關(guān)于測(cè)定空氣組成的競(jìng)賽正在幾個(gè)科學(xué)家間悄然進(jìn)行。1775年普里斯特利測(cè)出空氣中含有1/5的氧氣，1777年舍勒測(cè)出氧氣含量為1/4，1780年拉瓦錫測(cè)出了1/6的數(shù)值，1781年英國(guó)科學(xué)家卡文迪什測(cè)定出氧氣含量為20.83%?？ㄎ牡鲜驳臄?shù)據(jù)與現(xiàn)代測(cè)量值20.946%已非常接近[2]，同時(shí)，卡文迪什還測(cè)出空氣中含1/120的惰性氣體，這與1894年瑞利和拉姆齊的測(cè)定值也非常相似[3]?？ㄎ牡鲜苍趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中精益求精的精神是英國(guó)工匠精神的體現(xiàn)，他的工作雖然不是首創(chuàng)，但足夠精確之后，量變引起質(zhì)變，使他能夠提前100多年預(yù)測(cè)出稀有氣體的存在，從另一個(gè)角度體現(xiàn)了創(chuàng)新精神。如卡文迪什這樣的精神，使英國(guó)在工業(yè)革命中拔得頭籌，一躍成為世界強(qiáng)國(guó)。

如何像卡文迪什那樣準(zhǔn)確測(cè)出空氣中氧氣含量，一直是國(guó)內(nèi)從事化學(xué)教育的學(xué)者們難以解決的問(wèn)題，例如，張欣榮[4]等用白磷脫氧，并用注射器作為氣體體積測(cè)量工具，測(cè)出空氣中氧氣含量為21%。但該設(shè)計(jì)有以下缺點(diǎn)： 白磷毒性較強(qiáng)，不易作為實(shí)驗(yàn)試劑讓初中生使用;注射器長(zhǎng)度與內(nèi)徑比值較小，測(cè)量精度低;注射器內(nèi)層活塞與外層空筒間有較強(qiáng)摩擦力，靈敏度較低。王胤琪[5]利用多硫化鈉脫氧，并用倒置在液面上的試管作為氣體體積測(cè)量工具，測(cè)出空氣中氧氣含量為20.5%。但多硫化鈉制備較為繁瑣，且有一定毒性，用試管作測(cè)量氣體體積的儀器精確度也不夠高。徐泓[6]利用食品脫氧劑在密閉的集氣瓶中脫氧，并用壓強(qiáng)傳感器對(duì)瓶中脫氧前后氣壓變化進(jìn)行測(cè)定，從而計(jì)算出空氣中氧氣含量為20.6%。但徐泓老師在測(cè)定前，為了增強(qiáng)脫氧效果，將食品脫氧劑用蒸餾水潤(rùn)濕。食品脫氧劑潤(rùn)濕后會(huì)迅速放熱，使集氣瓶中空氣溫度升高，從而使瓶中壓強(qiáng)增大，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。

依據(jù)以上文獻(xiàn)可知，白磷、多硫化鈉和食品脫氧劑的脫氧效果較好，而食品脫氧劑的毒性最小，故本實(shí)驗(yàn)選用食品脫氧劑進(jìn)行脫氧最為適宜。注射器和試管作為體積測(cè)量?jī)x器，精確度太低，不宜作為精密量器，壓強(qiáng)傳感器雖然是數(shù)字化儀器，但精度與試管相差不大，因此需要設(shè)計(jì)一種新的精密量器來(lái)測(cè)量氣體體積。該測(cè)量?jī)x器應(yīng)該具有較強(qiáng)的靈敏度和較高的測(cè)量精度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

不銹鋼直尺（量程600mm）、市售有機(jī)玻璃管（內(nèi)徑4mm，外徑6mm，長(zhǎng)600mm）、5mL注射器、橡皮塞（1mL注射器上的橡皮活塞）、剪刀、小刀

市售食品脫氧劑（每小袋1.5g，額定吸氧量30mL，適用空氣量150mL）、蒸餾水

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

市售食品脫氧劑的主要成分是活性鐵粉，利用鐵的吸氧腐蝕可以除去氧氣[7]，而且只要空氣含有少量水分，該反應(yīng)就可以迅速發(fā)生。

在一定條件下，測(cè)定密閉體系中空氣脫氧前的體積與脫氧后減少的體積的比值，就可以測(cè)出空氣中氧氣的含量。

常見(jiàn)的氣體體積測(cè)量?jī)x器，如注射器等的長(zhǎng)度與內(nèi)徑的比值一般小于10，這導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的精度不高。本實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)過(guò)現(xiàn)代精密儀器切削，粗細(xì)均勻，且長(zhǎng)度與內(nèi)徑比值大于100的有機(jī)玻璃管作為實(shí)驗(yàn)儀器，能極大地提高測(cè)量精度。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作步驟

取一根在空氣中久置的有機(jī)玻璃管，將一端用橡皮塞密封，并將未封閉的一端向上放置。將一大包真空包裝的食品脫氧劑開(kāi)封，取一小袋，在袋角剪一個(gè)小口，使小口孔徑略小于有機(jī)玻璃管內(nèi)徑，使袋口對(duì)準(zhǔn)有機(jī)玻璃管管口，將粉末迅速倒入有機(jī)玻璃管中，并立即用一個(gè)裝有蒸餾水的注射器向管口注入一滴水，將有機(jī)玻璃管密封。用小刀在有機(jī)玻璃管外壁作一個(gè)記號(hào)，記下水滴下端的位置，標(biāo)為A點(diǎn)。用手指輕輕彈動(dòng)有機(jī)玻璃管底部，使食品脫氧劑粉末分布得均勻而緊密，用小刀在有機(jī)玻璃管外壁食品脫氧劑的最上端處作記號(hào)，標(biāo)為O點(diǎn)。平放有機(jī)玻璃管，如圖1所示。

然后水平滾動(dòng)有機(jī)玻璃管，使食品脫氧劑粉末平鋪在有機(jī)玻璃管中靠近橡皮塞的一側(cè)，以增大食品脫氧劑與空氣的接觸面積?？梢杂^察到水滴從A點(diǎn)向O點(diǎn)緩慢地移動(dòng)，10min后，水滴移動(dòng)速度變得非常緩慢，20min后，水滴完全停止移動(dòng)。用小刀在有機(jī)玻璃管外壁作一個(gè)記號(hào)，記下水滴的位置，標(biāo)為B點(diǎn)，如圖2所示。

用不銹鋼直尺測(cè)量出AO段的長(zhǎng)度l1， AB段的長(zhǎng)度l2。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如表1所示。進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果在20.94%左右，與維基百科[8]提供的數(shù)據(jù)20.946%基本吻合。

2.2 對(duì)脫氧劑效果的分析

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本實(shí)驗(yàn)選用的食品脫氧劑吸氧效果較好，幾乎將取樣空氣中的氧氣完全吸收，原因有以下幾點(diǎn)： 第一，該食品脫氧劑使用前為真空包裝，其脫氧性能不會(huì)因?yàn)榻?jīng)歷了存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)而降低。第二，每小袋食品脫氧劑最多可吸收約30mL氧氣，而取樣空氣中只含有約1.4mL氧氣，脫氧劑遠(yuǎn)遠(yuǎn)過(guò)量，足以將氧氣完全吸收。第三，由于市售食品脫氧劑一般會(huì)放在食品包裝袋中使用，并不需要潤(rùn)濕即可迅速吸氧，因此，本設(shè)計(jì)并沒(méi)有使食品脫氧劑與水直接接觸，避免了食品脫氧劑遇水后迅速放熱產(chǎn)生的影響。

2.3 對(duì)氣體體積測(cè)量?jī)x器的討論

由于本實(shí)驗(yàn)使用的有機(jī)玻璃管粗細(xì)均勻，各處橫截面積均相等，因此脫氧前空氣體積與脫氧后空氣減少的體積之比等于AO段的長(zhǎng)度l1與AB段的長(zhǎng)度l2之比。

本實(shí)驗(yàn)在測(cè)量時(shí)，食品脫氧劑粉末間的空氣所占體積沒(méi)有被計(jì)入。這是因?yàn)?，首先與取樣空氣相比，這部分空氣的體積很小，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大。其次，食品脫氧劑在倒入有機(jī)玻璃管之前，并不是處于真空狀態(tài)下，其粉末間隙中已經(jīng)充滿了被脫去氧氣的空氣，這些空氣大部分都隨著粉末一起被倒入管中。由于這些空氣已被脫去氧氣，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中體積不會(huì)減小，因此不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

使用液封法密封樣品空氣，能極大增加裝置的靈敏度，即使管中有細(xì)微的壓強(qiáng)變化，液滴也會(huì)及時(shí)移動(dòng)。使用小刀在有機(jī)玻璃管外壁作記號(hào)，?能得到比記號(hào)筆更細(xì)的線條，用直尺測(cè)量時(shí)，有利于得到更為準(zhǔn)確的讀數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

雖然本設(shè)計(jì)的測(cè)量精度較高，但所使用的設(shè)備廉價(jià)易得，無(wú)毒無(wú)害，操作簡(jiǎn)單，因此，適合于初中學(xué)生進(jìn)行操作。經(jīng)過(guò)本實(shí)驗(yàn)的操作，能激發(fā)學(xué)生精益求精的工匠精神，讓他們明白，得到精確的結(jié)論靠的不僅僅是高科技的儀器，更重要的是本著求實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度去選擇正確的實(shí)驗(yàn)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]柏廷頓. 胡作玄譯. 化學(xué)簡(jiǎn)史[M]. 北京： 中國(guó)人民大學(xué)出版社， 2010： 83～95.

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[3]沃爾夫. 周昌忠， 苗以順， 毛榮運(yùn)譯. 十八世紀(jì)科學(xué)技術(shù)和哲學(xué)史[M]. 北京： 商務(wù)印書(shū)館， 2009： 450～451.

[4]張欣榮， 王彥昌， 楊承印. 簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確測(cè)定空氣中含氧量的方法[J]. 化學(xué)教育， 2010， 31（4）： 74.

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