對“測定空氣中氧氣含量”實驗改進案例與教學問題的探討

郭震

摘要：分析現(xiàn)行教材測定空氣中氧氣含量實驗存在的不足，對文獻中的相關(guān)實驗改進案例進行了評述，分析并指出部分實驗改進案例在試劑、裝置和實驗教學方面存在的若干問題；探討了實驗和教學中易被忽視的空氣成分與氧氣含量、準確度與分辨率的不同含義，對認識拉瓦錫實驗的價值和相關(guān)教學提出了建議。

關(guān)鍵詞：氧氣含量；空氣成分；實驗改進案例評述；教學研討

“測定空氣中氧氣含量”實驗是各版本初中化學教材在“空氣”單元中的傳統(tǒng)內(nèi)容。該實驗依據(jù)拉瓦錫經(jīng)典實驗的原理探究空氣的組成，在中學化學啟蒙階段的教學中具有重要意義。據(jù)不完全統(tǒng)計，有關(guān)該實驗的研究論文已超過200篇（見表1），多年來一直是實驗改進與實驗教學研究關(guān)注的熱點。本文將對該實驗的改進情況進行梳理和回顧，并對實驗改進及相關(guān)教學過程中易被忽視的若干問題進行探討。

1 教材中的實驗

現(xiàn)行各版本初中化學教材均編入了測定空氣中氧氣含量的實驗。其中，魯教版化學教材采用銅粉氧化消耗氧氣的方法[]，其余版本教材主要使用圖1所示實驗裝置，利用紅磷燃燒消耗裝置中的氧氣[]。現(xiàn)有研究認為該實驗存在以下幾方面不足，在準確度和安全性等方面存在改進的空間。

有研究表明，足量紅磷在燃燒后仍難以耗盡裝置內(nèi)的氧氣，殘留氧氣含量為2.45%[]、3.45%～7.6%[]。

燃著的紅磷進入集氣瓶時，瓶內(nèi)溫度迅速上升使空氣膨脹并部分逸出，研究對象不是嚴格意義上的封閉體系，影響測量的準確度[]。

實驗容器和導管形狀不規(guī)則，且導管內(nèi)空氣或水的體積不易統(tǒng)計，難以準確將容積五等分[3]。

紅磷在密閉空間內(nèi)燃燒，氣體受熱膨脹可能使橡膠塞彈出，且紅磷燃燒產(chǎn)生的P2O5具有毒性，存在一定安全和環(huán)境風險[]。

2 實驗改進

針對以上不足，研究者主要從試劑和實驗裝置兩方面對現(xiàn)有實驗進行改進，取得了大量成果。

2.1 改進試劑

為了充分消耗實驗體系內(nèi)的氧氣、提高密閉性、減少環(huán)境污染，一些研究將紅磷替換為白磷[][]、鐵粉[][]、鋼絲絨[]、銅粉[][]，以及焦性沒食子酸[]（鄰苯三酚[]）、多硫化鈉[]、Fe（OH）2[]、NO[]等物質(zhì)；或?qū)⒓t磷替換為乙醇[]或蠟燭[]，同時將水改為堿溶液。

2.2 改進實驗裝置

文獻中對實驗裝置的改進，主要著眼于提高密閉性、安全性，以及測量的準確度和操作的便捷性。將集氣瓶改為內(nèi)徑均勻的容器，如注射器[5][17]、量筒[9][18]、試管[11][]、滴定管[7]、U型管[]、玻璃管[8]等；或使用傳感器直接[]或間接[]測定氧氣含量。同時，為達到以上目的，并適應(yīng)不同試劑的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，改進耗氧劑的點火方式，如使用激光筆[7]、凸透鏡[]、電熱絲[6]、電磁爐[]，以及熱的金屬絲[21][]、金屬陶瓷發(fā)熱體（MCH，Metal Ceramics Heater）[]、熱水[]、玻璃棒[]、吹風機[]等引燃紅磷或白磷。

3 實驗改進案例和教學中的若干問題

通過梳理上述實驗改進案例，可以看出已有研究在實驗的安全性、準確度和綠色化方面進行了大量改進，對解決現(xiàn)有實驗存在的問題、培育學生的創(chuàng)新精神和環(huán)保意識具有積極意義。與此同時，部分實驗改進也引入了新的問題，影響其推廣應(yīng)用，并對實驗教學產(chǎn)生了一定影響。

3.1 在試劑改進方面

有相當數(shù)量的研究以白磷代替紅磷作為耗氧劑，以便改進點燃方式，提高體系的密閉性，減少污染。但白磷本身屬于劇毒、易自燃物品，根據(jù)《危險化學品安全管理條例》，其采購、儲存和使用存在諸多困難；同時，使用白磷開展課堂教學，實驗操作和廢棄物處理都存在較多安全風險。

使用蠟燭和酒精取材方便，操作簡單。但維持其燃燒需要的最低含氧量分別為16.0%和15.0%，明顯高于紅磷[]。燃燒產(chǎn)生的CO2需用堿溶液吸收，教學中需補充中和反應(yīng)等知識；且不完全燃燒產(chǎn)生的CO不能被吸收，引入了額外的實驗誤差。

使用NO、Fe（OH）2、多硫化鈉、鄰苯三酚等物質(zhì)作為耗氧劑，實驗無需加熱，操作較為便捷。但這些物質(zhì)具有一定毒性或需現(xiàn)場制備，存在安全隱患，并增加了操作難度和實驗時間。同時，相關(guān)制備和吸收原理較為復雜，教學中需補充高中或大學化學知識，超越了學生的知識基礎(chǔ)和認知水平。

鐵粉和銅粉可消耗裝置中的絕大部分氧氣[4][13]，有助于提高實驗的準確度；其自身及氧化產(chǎn)物較為安全環(huán)保，試劑容易獲取。但鐵粉吸氧腐蝕耗時較多，現(xiàn)象不夠明顯；銅粉充分氧化需在加熱時反復推拉注射器活塞，并保持裝置的氣密性，對儀器和操作的要求較高。

3.2 在實驗裝置改進方面

大量實驗改進使用了注射器或量筒，其刻度清晰，便于準確讀數(shù)，且注射器的氣密性較好。但部分實驗將這些內(nèi)徑較小的不耐熱玻璃容器代替集氣瓶作為燃燒容器，進行不規(guī)范操作，即便用陶瓷片隔熱仍相當危險。使用凸透鏡易受天氣影響，使用大功率激光筆可能造成眼部損傷。使用電熱絲、金屬絲、熱水等加熱，部分用品需二次加工，裝置復雜，對實驗準備和操作的要求較高，增加了難度，不利于學生獨立開展探究。

3.3 在實驗教學方面

部分實驗改進未能充分考慮大多數(shù)學生的知識基礎(chǔ)、認知水平和實踐能力，裝置和原理過于復雜，導致教學中不得不將更多時間和精力放在儀器裝置、實驗操作和反應(yīng)原理的介紹上，偏離了教學主題，影響教學效果。也有部分基于實驗創(chuàng)新的課堂教學，忽視了本應(yīng)采取的必要的防護和通風措施，以及試劑的合理用量，過分夸大教學中少量紅磷及其燃燒產(chǎn)物的危害[]，導致學生對化學物質(zhì)和化學實驗產(chǎn)生負面和抵觸情緒[]，對學習興趣、教學效果和學科形象均產(chǎn)生不利影響。

4 討論與建議

4.1 空氣成分與氧氣含量

由于大多數(shù)實驗改進的著力點在于提高空氣中氧氣含量測量結(jié)果的準確度，因此有必要進一步討論空氣成分與氧氣含量的多重含義。地球大氣除了氧、氮等氣體成分外，還有呈懸浮狀態(tài)的液態(tài)（霾滴、云霧滴）和固態(tài)（煙炱、塵、花粉等）氣溶膠質(zhì)粒；高度在86 km以下的大氣層，湍流擴散作用遠大于分子擴散作用，其化學組分比例不變，被稱為均質(zhì)層；均質(zhì)層內(nèi)的空氣不考慮水蒸氣（水汽）和氣溶膠質(zhì)粒時，被稱為干潔空氣，一般討論空氣成分均是在干潔空氣的前提下，其中氧氣的含量約為21%（體積分數(shù)）；均質(zhì)層內(nèi)成分可變氣體主要有水蒸氣、二氧化碳和臭氧，其中水蒸氣的含量較高，二氧化碳和臭氧的含量極低；空氣中水蒸氣的含量隨時空的變幅很大，沙漠和極地上空極低，熱帶洋面其體積分數(shù)可達5%以上。[]空氣中水蒸氣和氧氣的相對含量存在此消彼長的關(guān)系，水蒸氣的比例增大，則氧氣的比例減小[]。根據(jù)道爾頓分壓定律，水蒸氣體積分數(shù)為5%時，空氣中氧氣的體積分數(shù)降至約20%。

由于均質(zhì)層內(nèi)大氣各組分的比例不變，因此在陸地海拔范圍內(nèi)（≤珠穆朗瑪峰海拔8848.86 m[]），氧氣的相對含量（體積分數(shù)）保持不變，與海拔并無關(guān)系[35]。日常生活中所謂“高原氧氣稀薄”“氧氣含量隨海拔升高而降低”，具體指氧氣分壓，或以mol/L、g/m3等為單位的絕對含量降低，而非以體積分數(shù)表示的相對含量降低（見表2）。個別教學和實驗改進案例，以當?shù)睾０屋^高來解釋低于21%的實驗數(shù)據(jù)，或?qū)⑦@樣的數(shù)值作為實驗改進目標，混淆了氧氣的絕對含量與相對含量，得出錯誤結(jié)論。實驗室使用的氧氣傳感器[]，以及本文所述各類實驗通過吸入水的體積獲得的數(shù)據(jù)，均為氧氣的體積分數(shù)，即相對含氧量。這是進行測定空氣中氧氣含量的實驗與教學時容易忽視的一個問題。

4.2 準確度與分辨率

儀器或?qū)嶒炏到y(tǒng)測量結(jié)果的準確度，一般指“在一定測量條件下測量值與被測定量的真值之間一致的程度”，而分辨率一般是“測量或顯示系統(tǒng)對細節(jié)的分辨能力”。[]中學化學實驗室常用氧氣傳感器的準確度一般為±1%（體積分數(shù)），分辨率為0.01%[38]；煤礦用氧氣傳感器的準確度一般為±3%，分辨率為0.1%[]。教材中的實驗是粗略測定空氣中的氧氣含量，為適應(yīng)本階段的教學和學生的實驗能力，采用圖1所示裝置和相應(yīng)實驗操作。其裝置原理和操作本身都決定了這一實驗系統(tǒng)的準確度不高，正如教學實踐所表明的，其測量結(jié)果與氧氣含量21%存在一定偏差。基于此，為提高實驗系統(tǒng)的穩(wěn)健性[40]，其裝置體積測量的分辨率與準確度相匹配，采取較低的分辨率設(shè)定，其讀數(shù)只可能為“0、1/5、2/5、3/5、4/5、1”；同時，選擇體積較大的集氣瓶，以減小導管體積未計入導致的誤差，并給出更大的膨脹空間。部分實驗改進，在基本實驗原理和操作未作根本性改變的前提下，其體積測量使用刻度過于精密的儀器，實驗系統(tǒng)的分辨率（如100 mL量筒為1%）遠高于準確度，這是導致其各次測量結(jié)果之間出現(xiàn)較大偏差的重要因素之一。

4.3 拉瓦錫實驗的價值與實驗教學

“物質(zhì)的組成”是化學研究的基本問題之一，拉瓦錫研究空氣成分的實驗是人類探索物質(zhì)組成的經(jīng)典實驗。其實驗結(jié)論的化學學科價值，主要有定性和定量兩個方面，即空氣由兩種性質(zhì)不同的氣體組成，以及這兩種氣體各自所占比例。其實驗設(shè)計的科學方法價值，主要體現(xiàn)在間接測量、等效替代[23]和物質(zhì)轉(zhuǎn)化等實驗思想上。教材中的實驗以中學實驗室常用的標準化儀器代替較為少見的曲頸甑，以毒性較低、反應(yīng)更快的紅磷代替汞作為耗氧劑，以水代替汞呈現(xiàn)氣體體積；在沿用拉瓦錫實驗原理的基礎(chǔ)上，基于學校裝備情況和學生認知基礎(chǔ)，以簡化方式模擬和復現(xiàn)經(jīng)典實驗，承載了“通過實驗研究物質(zhì)組成的原理及方法”的滲透、落實和具體化[]，同樣體現(xiàn)了拉瓦錫實驗的以上價值。

測定空氣中氧氣含量的實驗教學，應(yīng)全面體現(xiàn)這一實驗的化學學科價值，要讓學生不僅從定量角度了解氧氣含量，而且從定性角度認識空氣主要由兩種氣體組成，二者的化學性質(zhì)不同。與此同時，也應(yīng)根據(jù)不同學生的接受能力，在新課教學或復習提升階段，使實驗的科學方法價值顯性化，讓學生了解、認識和應(yīng)用物質(zhì)轉(zhuǎn)化、間接測量、等效替代等實驗思想。例如，讓學生分析生產(chǎn)白熾燈時在其中放入少量紅磷的原因，以及如何為實驗中的集氣瓶劃分刻度。部分師生認為集氣瓶形狀不規(guī)則，難以憑借高度準確劃分刻度。實際上，利用拉瓦錫實驗所體現(xiàn)的等效替代思想，向集氣瓶中分次加入其液面上有效容積五分之一的水，即可解決這一問題。高中化學乙醇與鈉反應(yīng)推測乙醇分子結(jié)構(gòu)的實驗，實際上也利用了拉瓦錫實驗的間接測量與等效替代思想，不同的是前者利用產(chǎn)生氣體所排出的水的體積，后者利用消耗氣體而吸入的水的體積。

中學階段教材與教學中的化學實驗，與專業(yè)化學工作者進行的實驗，二者既有聯(lián)系又有區(qū)別。除了科學性、安全性、經(jīng)濟性等共同的要求外，前者服務(wù)于教學，更強調(diào)實驗的直觀性、簡便性和可及性，要求其與學校裝備條件和學生認知水平同步，服務(wù)于核心素養(yǎng)培育。因此，實驗改進應(yīng)與實驗的教學功能相適應(yīng)。傳感器和數(shù)字化實驗的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，使眾多以提高測量準確度為目的的實驗改進的必要性不再迫切；與此同時，如果僅為獲取氧氣含量的準確數(shù)據(jù)，使用氧氣傳感器進行直接測量即可達到目的，但這樣的改進無助于學生全面了解拉瓦錫實驗所蘊含的豐富化學學科與科學方法價值。面對這樣的矛盾，已有研究者融合數(shù)字化實驗與常規(guī)實驗，為實驗方法改進、實驗教學改革與跨學科實踐活動開展進行了寶貴的嘗試[23][]。隨著新的義務(wù)教育化學課程標準的頒布與實施，融合多種實驗手段、體現(xiàn)科學方法、便于推廣應(yīng)用的實驗改進必將不斷涌現(xiàn)，更好地服務(wù)化學教學實踐。

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