空氣中氧氣含量測量實驗的新設計

沙琦波

摘要：針對教材中某些實驗方案的缺陷，在文獻研究基礎上，通過裝置改進，設計了一種空氣中氧氣含量的測量方法： 在兩針筒中分別裝入水和食品脫氧劑，用橡膠導管過盈套接在兩個針筒之間，利用食品脫氧劑消耗氧氣使兩針筒產生壓強差引起水進入另一個針筒，調整兩容器高度消除打開止水夾后兩液面的高度差帶來的壓強差，從而精準測量氧氣的體積。本裝置簡單實用、造價低，便于學生自主完成測定，且實驗誤差小、安全性高、可靠性強。

關鍵詞：實驗裝置改進; 氧氣含量測量; 食品脫氧劑; 實驗探究

文章編號：10056629（2021）11007604

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 問題提出

“簡單測量空氣中的氧含量”是《義務教育初中科學課程標準（2011年版）》中明確提出的“活動建議”[1]，該活動是華師大版《科學》七年級下冊第2章第2節“空氣的成分”中的內容，是初中化學重要的探究性實驗之一。教材介紹的實驗方法是在密閉的玻璃容器中燃燒紅磷，待紅磷熄滅并冷卻后，通過計算倒吸入的水的體積與原空氣所占體積的比值來測定空氣中的氧氣含量（如圖1所示）。但是，該實驗方案存在一定的缺陷，例如：

（1） 裝置的氣密性很難達到標準;在外點燃紅磷后再伸入集氣瓶，使裝置無法始終完全密閉，該過程導致瓶內的空氣發生膨脹，一部分逸出;經色譜分析[2]，紅磷在集氣瓶內燃燒結束后，瓶內仍有7%以上的氧氣剩余，因此無法徹底消耗氧氣;裝置中的導管原來是有空氣的，這部分體積并不小且不易估計，后來導管里充滿了水，這部分水沒有進入集氣瓶中，導致產生測量的系統誤差;用于測量氣體體積所標示的刻度線不夠精確等。以上幾點均導致實驗結果不準確，實驗的成功率較低。

（2）實驗過程中需要使用較多的玻璃器皿，不小心容易打碎，且在酒精燈上點燃紅磷時，生成的五氧化二磷顆粒以白煙的形式擴散到空氣中，有一定的毒性，因而存在割傷、燒傷、中毒等安全隱患。

為此，需要研究設計更為優化的實驗方案，解決上述問題，以期提高教學效果。

2 相關文獻分析

檢索近幾年的相關文獻資料，并將眾多的改進方案歸納如下。

2.1 換用更易于點燃的白磷

由于紅磷的著火點是260℃，白磷的著火點只有40℃，所以可以用更為簡便的方式將白磷點燃。如朱華英和劉懷樂[3]改進了教材裝置中的集氣瓶塞，在燃燒匙里放一塊白磷，用力把預先加熱的玻璃棒從集氣瓶瓶塞按下與白磷接觸使其燃燒（如圖2所示），但玻璃棒的預熱程度并不易于控制;俞紅星[4]利用放大鏡會聚太陽光（如圖3所示）或熱水浴來加熱白磷（如圖4所示）。但放大鏡聚焦法難免會受到天氣影響，只有在陽光充足的情況下實驗才有可能成功。熱水浴法則需不斷給水加熱，同時要避免集氣瓶過熱導致爆裂。該方法比較耗時且存在安全隱患;曹碧華[5]采用電熱絲通電加熱或酒精燈加熱鋁絲導熱的方法來使白磷燃燒。但裝置稍顯復雜，對電池功率的要求較高。鋁絲導熱效率也不夠理想，且因其質軟，在穿過橡膠塞時容易彎曲，導致裝置漏氣，使實驗成功率低;姚秋玲和王鋒[6]用激光筆在室溫下5s內點燃白磷，而這需要使用大功率的激光筆，學生一旦使用不當可能會造成眼睛灼傷、甚至引起火災等不良后果。

2.2 設計更精密的實驗裝置

反應容器往往為試管、U型管、直玻璃管，不僅使反應容積減小，節省了藥品用量和實驗時間，容器內徑上下基本一致，增加了測量的準確性。例如，尚廣斗[7]將底部有一小孔的大試管豎直置于盛有水的燒杯中，塞緊帶有燃燒匙和粗銅絲的橡皮塞，用灼熱的銅絲引燃燃燒匙中的白磷，氣體體積用試管中間部分的氣體高度來表示（如圖5所示）;師海滿等[8]在U型管內注入適量水，在金屬網勺內放入適量白磷，將橡皮塞置于U型管有刻度一端使其充分密閉，用酒精燈給導熱金屬棒加熱使白磷燃燒，充分冷卻后，U型管封閉端水面上升（如圖6所示）。但反應結束后，玻璃管內外或兩側的高低液面產生壓強差，由于裝置本身的問題而難以緩解調整，致使實驗測量不準確。

以上改進思路均具有一定的科學性，基本滿足了裝置密閉性要求，但仍難以避免白磷燃燒的產物五氧化二磷外逸污染空氣;有的裝置過于復雜，器材需要再加工才能使用，組裝、操作、氣體體積計算均較繁瑣，現象不夠直觀，使實驗難度增加了不少，不利于學生獨立開展實驗。

2.3 食品脫氧劑的應用

常見的食品脫氧劑多為無機鐵系脫氧劑，主要成分為高純度的活性鐵粉和催化劑的混合物，其原理為鐵粉和氧氣在催化劑作用下發生氧化反應，并釋放一定熱量（常用作暖寶寶內容物），實質是利用鐵的吸氧腐蝕除去氧氣。

徐泓[9]將脫氧劑置于100mL量筒中，用玻璃棒將其捅入量筒底部并使之固定，再將量筒迅速倒置于盛有水的大燒杯中，進而觀察量筒內液面的上升情況（如圖7所示）;他的另一個實驗方案是將脫氧劑用彎曲的大頭針固定在橡皮塞上，迅速將橡皮塞塞緊在廣口瓶上，觀察量筒中水的減少量（如圖8所示）;朱清勇[10]將還原鐵粉和活性炭粉充分混合后均勻地鋪在試管中，迅速塞緊橡皮塞，導管伸入裝有水的量筒中，一段時間后打開止水夾，觀察到導管中的水面不斷上升，待水位穩定后讀取量筒內的剩余水量（如圖9所示）。但以上三個方案的共同缺陷是未排除脫氧劑本身體積對測量結果的影響，且導管內外的水位差亦會引起壓強差，從而造成一定的誤差。

3 優化方案設計

通過對上述改進方案的討論，根據中學化學探究性實驗必須遵循的科學性、可行性、簡約性、直觀性、安全性等原則，筆者進行深入研究，設計了新的改進方案。

3.1 裝置結構

本裝置（如圖10所示）涉及實驗教學和教具領域，包括底座和固定在其上面的立板，在立板上水平間隔固定有兩個夾子，夾子內分別夾持有上下呈連通狀態且形狀和體積一致的第一容器和第二容器（兩個塑料針筒），它們的表面帶有相同的刻度，下端開口之間過盈（過盈是指孔的尺寸減去相配合的軸的尺寸所得代數差為負值）套接有橡膠導管，橡膠導管上設置有止水夾。在第一容器內裝有水（滴有紅墨水，方便觀察）;在第二容器內裝有鐵系列食品脫氧劑（如暖寶寶內容物），上口設置活塞。

3.2 實驗原理

用食品脫氧劑將第二容器內空氣中的氧氣耗盡形成負壓，然后打開止水夾，在壓強差的作用下，第一容器內的水倒吸入第二容器中。調節第二容器的高度，使第二容器中的液面與第一容器中的液面最終高度相同，防止液體壓強對實驗結果的影響。此時進行讀數，進入第二容器的水的體積則為消耗的氧氣體積，由此通過計算驗證氧氣所占原空氣體積的百分比。

3.3 實驗步驟和結果

（1） 先將夾有止水夾的橡膠導管的一端過盈套在第一容器底部，在第一容器內加入適量水，在水中滴加幾滴紅墨水使其更加明顯。

（2） 氣密性檢查： 將第二容器的活塞向上拉至一定刻度處，然后將橡膠導管遠離第一容器的一端與第二容器連接，打開止水夾，此時，第二容器和橡膠導管的連接處沒有聲音且第二容器內沒有水進入，則說明第二容器的氣密性良好。

（3） 打開止水夾將套在第二容器底部的橡膠導管一端取下，讓橡皮管中充滿水，排除橡膠導管內的空氣，減小實驗誤差。

（4） 用藥匙將新拆封的食品脫氧劑快速送入第二容器內至與2mL刻度線相平，然后將活塞拉至V1刻度線處[此時第二容器內空氣的體積為（V1-2）mL]。再迅速將夾有止水夾的橡膠導管與第二容器連接，靜置20分鐘，利用食品脫氧劑將第二容器內的氧氣消耗完全，使第二容器產生負壓（如圖11所示）。

（5） 打開止水夾，可以發現第一容器中的水進入第二容器中，調節第二容器高度使第一容器內的液面與第二容器的液面高度一致，以消除液面壓強對實驗的干擾，讀出第二容器中的液面位于V2刻度線處（如圖12所示），則原第二容器中氧氣的體積為（V2-2）mL，從而計算出空氣中氧氣的體積分數為： O2%=（V2-2）mL/（V1-2）mL×100%，將實驗數據記錄在表1中。

由表1可知，利用本實驗測得的空氣中氧氣的體積分數平均值為20.8%，約等于21%。

3.4 設計創新點

（1） 為證明脫氧劑中的鐵粉與氧氣反應比紅磷燃燒耗氧更徹底，有研究者[11]在鐵的吸氧腐蝕裝置中用氧氣傳感器測量了體系中氧氣含量的變化： 在162s內從最初的21%逐漸下降到0;實驗現象直觀明顯，針筒上的體積刻度線均勻、準確，從而使讀數更加精準;反應的整個過程在密閉的第二容器內進行，裝置的氣密性很好，與外界不存在氣體交換的契機。通過調整兩容器高度來消除打開止水夾后兩液面的高度差帶來的壓強差，也避免了教材實驗中導管體積產生的誤差。

因此本方案的實驗誤差大為減小，由原先不需要處理數據的“半定量”實驗改進為可以進行讀取、記錄、數據處理和誤差分析的“定量”測定實驗。

（2） 整套實驗裝置結構簡單，不使用玻璃器皿，塑料針筒也較易獲取，且容積小，藥品用量少，整體造價低廉，且可反復使用。實驗過程操作簡便，不涉及明火，無毒無污染，基本排除了各種安全隱患。

（3） 由于實驗者存在一定的身高差，對夾子高度的不同需求從而導致觀察不便，因此設置了升降裝置，實驗者可以在一定范圍內任意調節夾子高度，更為人性化。

另外，此反應需要時間稍長，為提高吸氧的速率，“脫氧劑”也可按下列方法自制： 稱取2g還原鐵粉、0.5g NaCl和0.5g活性炭于濾紙上，混合均勻后包好，滴入約1mL水潤濕，用密封塑料袋裝好備用。

總之，本方案實驗原理清晰易懂，可靠性、安全性和可操作性均較高。測量裝置新穎實用，無需教師演示，學生按照步驟即可獨立完成測量。學生在探究過程中不僅鞏固了化學反應原理，掌握了一定的實驗方法和實驗技能，充分體驗到科學實驗的嚴謹性，而且還進一步培養了創新意識和環保理念，認識到食品脫氧劑等化學物質在日常生活中的應用，感受到了化學對提高人類生活質量的積極作用。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 義務教育初中科學課程標準（2011年版）[S]. 北京： 北京師范大學出版社， 2012： 28.

[2][10][11]朱清勇. 空氣中氧氣含量測定實驗的改進[J]. 中學化學， 2014， （12）： 21～22.

[3]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）： 21.

[4]俞紅星. “空氣中氧氣含量的測定”實驗改進[J]. 中學化學教學參考， 2009， （4）： 47.

[5]曹碧華. “空氣中氧氣含量的測定”實驗改進[J]. 實驗教學與儀器， 2010， （1）： 25.

[6]姚秋玲， 王鋒. 空氣里氧氣含量測定實驗的新設計[J]. 化學教學， 2017， （3）： 72～74.

[7]尚廣斗. “空氣中氧氣含量的測定”實驗的研究與改進[J]. 化學教學， 2009， （11）： 13～15.

[8]師海滿， 師月. 一種空氣中氧氣含量測定演示儀[P]. 中國： 203422886. 2014～02～05.

[9]徐泓. 利用“食品脫氧劑”測定空氣中氧氣含量的系列設計[J]. 化學教育， 2010， （11）： 71～72.