用注射器作反應器與量具，精確測定空氣中氧氣含量
——“測定空氣中氧氣含量”實驗的簡化改進

張成生

（金華市金東區教育體育局教育中心 浙江 金華 321015）

“測定空氣中氧氣含量”這一實驗除了學科知識內容學習和實驗技能訓練之外，還蘊含豐富的科學思想和方法，比如進行反應原理的分析、材料的選擇，以及模型建構、誤差原因分析以及如何改進減小誤差等科學方法內容，對提高學生的科學核心素養有著重要作用。是初中化學不可或缺的經典實驗。

浙教版《科學》的實驗裝置如圖1，利用紅磷燃燒除氧形成負壓，以水替代原瓶內氧氣進行測定。先在集氣瓶內加入少量水，再把剩余部分分成5等份，用止水夾夾緊膠皮管，點燃燃燒匙內的紅磷，立即伸入瓶中并塞緊瓶塞，待火焰熄滅并冷卻后，打開止水夾，觀察現象，得出結論。

看似簡單的實驗，在方案中卻存在“先天”不足，實際操作很難達到預期效果，甚至經常出現不成功的情況，進而影響實驗的開展和教學。該實驗主要不足：①紅磷燃燒時耗氧不完全，氧氣殘留高，導致實驗結果偏小。②教材實驗采用瓶外點燃法，操作過程會導致瓶內氣體被加熱膨脹溢出而導致實驗結果偏大，且紅磷瓶外點燃有污染，存在安全隱患。③在集氣瓶上進行體積等分劃線比較粗糙，會導致較大的實驗誤差。④剩余氣體需要較長時間冷卻才能得到較滿意的實驗結果，導致實驗時間偏長影響課堂教學。

針對上述問題，已有較多同行對此實驗進行過研究和改進。陸麗萍（2022年）［1］對各種改進方法進行了研究，認為改進該實驗的角度主要在點燃方式、耗氧物質、度量工具等三個角度進行分析，由此進行了針對性改進。除此之外，唐祥梅（2022年）［2］、金隆等人（2021年）［3］將耗氧藥品的點燃方式由瓶外改成內置點燃，以此減小操作中的誤差。許麗丹等人（2020年）［4］從耗氧藥品角度進行綜述，分析了紅磷等耗氧藥品使用的優劣，對藥品的選用有一定的幫助；林旺金與張惠嬌兩人（2018年）［5］采用白磷加氫氧化鈉溶液吸收的方式增加了準確度；程星燦（2022年）［6］用鐵粉吸氧劑；顏石珍與夏駿等人（2022年）［7］用暖寶寶粉末進行脫氧均對實驗進行了改進。從以上改進可以發現，暖寶寶等鐵系脫氧劑氧氣殘留量低于0.1%，脫氧效果好，準確度高，且同時解決點燃問題，是一種不錯的選擇。但與紅磷相比，鐵系脫氧劑缺少明顯的反應現象，并由于平時使用中，鐵系脫氧劑給人有脫氧緩慢的不足。其原因是在脫氧劑使用過程中，與氧氣接觸面少，且用量不多（一般為預估所脫氧氣質量的3 倍），在實驗中，可以采用增大接觸面積的方式來縮短反應時間。并且在小體積中使用，有放熱改變溫度但也能很快恢復。

而對于度量工具的改進，除了陸麗萍老師的綜述之外，還有阮芬芬（2018年）［8］的量筒和氣壓傳感器，計量上更加精確，但器材不夠普及且過程復雜；而金隆、顏石珍、林旺金等人則均用注射器來改進度量工具，但也只是利用注射器帶有刻度的外筒作為量具，而不是利用注射活塞的移動直接測量。不管裝置如何改進，都是一個一定體積用于反應的封閉系統再加一個轉換成能顯示體積的裝置組合。注射器是自帶刻度氣密性良好的封閉系統，并且可直接通過能移動的活塞讀出體積變化裝置。用一段輸液塑料導管連接兩個注射器，既是封閉系統且能精確顯示體積變化。在使用鐵系脫氧劑時，注射器也可以作為反應容器，同時是一個精確的度量工具。

基于以上思考可知，用暖寶寶粉末等鐵系脫氧劑作為除氧物質，以注射器作為反應容器與度量工具，是一個可以適用于測量空氣中氧氣體積分數的最佳組合。具體的改進與操作如下：

一、實驗器材

注射器（50 mL）兩支（可分為甲和乙）、1.5 cm 左右塑料輸液導管一截、暖寶寶粉末若干。

二、實驗操作

1.剪開暖寶寶包裝，拉開注射器（甲）活塞后倒入約5 mL（過量）的暖寶寶粉末，用活塞壓實，如圖2所示。將另一注射器（乙）接上輸液導管，活塞拉到50 mL刻度處待用，導管中可塞入一團棉花，起到阻擋粉末作用。

為節約課堂教學時間，以上兩項操作均可在課前準備。如果是課前準備，注射器（甲）可在壓實粉末后用橡皮泥密封注射器口以防止粉末氧化失效。

2.將注射器（乙）活塞拉到刻度為50 mL 處，然后用輸液管接好兩個注射器，如圖3。拉動注射器（甲）或推動注射器（乙）的活塞，使注射器（乙）中空氣均進入（甲）中為止。

3.搖晃注射器1 分鐘左右，使空氣與脫氧劑充分接觸反應，加快氧氣消耗。然后將注射器（甲）的活塞壓回原處，觀察注射器（乙）中活塞的位置，先后兩次活塞位置差即為所消耗氧氣的體積，并依此計算氧氣的體積分數。

多次實驗表明，用此方法得到的氧氣體積分數基本能達到20%，甚至可達到21%，非常接近真實數值。

三、改進特色

用兩個注射器連接形成一個密封空間，自由移動的活塞可顯化并測量體積變化；其中一個注射器裝藥品作為反應容器，反應前后均將藥品壓實，可不計體積；另一個注射器作量具，自帶的刻度和可移動的活塞使測得數據更精準；而鐵系脫氧劑不需要燃燒，正好解決注射器不耐高溫的不足，且脫氧較完全。

1.裝置簡單，操作簡便。不需要進行復雜連接和再加工，只用一截輸液管將兩個注射器進行連接就行。可讓學生動手操作，分組準備過程簡便，有利于開展學生實驗。

2.效果明顯，結果準確。暖寶寶與氧氣發生反應后，注射器內氣壓減小，活塞在大氣壓的作用下往內移動，減小的容積就是消耗氧氣的體積，可直接通過刻度讀出，讀數方便，準確度大。演示實驗可以通過投屏觀察，學生實驗結果可取平均值，更科學。改進實驗成功率高，更有利于學生理解實驗原理，降低學習難度。

3.成本低廉，安全方便。該實驗器材簡單、藥品易得，成本低廉。實驗耗材為暖寶寶，班級分組實驗1 至2包足夠，注射器可重復使用，實驗過程中不用點燃操作，不產生污染氣體，安全方便。

當然，此改進也還存在一些不足：如注射器活塞與注射筒之間的摩擦會對體積測量的準確性產生一定的影響；另外兩注射器連接內部會有極少量空氣，也會影響精確度；另外，學生在搖晃操作中，連接導管的脫落也會對實驗產生一定的影響。當然，在實際教學中，這些可以作為學生進一步改進或思考的拓展素材。

實驗既是學生學習科學的途徑，也是教師教學的重要工具，將更簡單精確的實驗改進用于課堂，無論是對教還是學，都大有裨益。