空氣中氧氣含量測定實驗的改進

秦翔

1 前言

初中化學(xué)《測定空氣中氧氣的體積分數(shù)》的實驗，目前在各種教材中介紹的方法有兩種：原版教材是用鐘罩、水槽等裝置，燃燒紅磷法；現(xiàn)行教材采用廣口瓶、燒杯、長導(dǎo)管等裝置，燃燒紅磷法，如圖1所示。兩種方法的共同點是用紅磷燃燒消耗容器中的氧氣產(chǎn)生負壓，使水進入容器，證明空氣中含氧氣的體積約占空氣體積的1/5，但在實際實驗過程中存在問題。

2 改進的原因

（1）紅磷的著火點較高，紅磷燃燒熄滅并不是容器里的氧氣耗盡，而是氧氣的濃度降低到不能再支持紅磷燃燒，所以水面上升的高度不可能達到1/5的理想高度。

（2）實驗時把燃著的紅磷插入容器中時，如果沒有立即、迅速塞緊橡皮塞，使容器里一部分空氣受熱膨脹外逸，或在容器溫度還沒降到室溫的情況下就產(chǎn)生了負壓，水面高度也能達到甚至超過1/5。學(xué)生看到的是一個實驗成功的假象，失去了實驗的真實性和科學(xué)性。

（3）實驗開始是在空氣中進行的，生成的五氧化二磷固體小顆粒散失到空氣中，會污染空氣，危害師生的健康。

（4）集氣瓶容積比較大，冷卻至室溫需要較長時間。

（5）實驗所用水的顏色與玻璃的顏色相近，不便于學(xué)生從遠處觀察實驗現(xiàn)象。

（6）不能直觀地判斷紅磷熄滅后集氣瓶內(nèi)是否有殘余的氧氣。

（7）實驗前，導(dǎo)管中空氣的體積沒有考慮；實驗后導(dǎo)管中水的體積也沒有考慮，不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴謹科學(xué)的實驗態(tài)度。

3 實驗改進思路

針對實驗中可能出現(xiàn)的問題，教學(xué)中從以下幾個方面進行了改進。

（1）減小反應(yīng)儀器容積，以節(jié)約藥品，縮短降溫時間。

（2）讓白磷在密閉的容器內(nèi)燃燒，避免生成物污染空氣且避免產(chǎn)生負壓影響實驗的科學(xué)性。

（3）將裝白磷的試管置于熱水中，既可以保證白磷燃燒所需溫度，又可以保證試管內(nèi)溫度不太高，橡皮塞不會沖開。

（4）還可以用酒精燈進行二次加熱，便于直觀地判斷燃燒后容器內(nèi)還有沒有剩余的氧氣。

（5）將水改為滴有適量紅墨水的有色水，便于觀察水面的變化情況。

（6）用白磷代替紅磷，便于消耗完瓶中的氧氣。

4 實驗儀器及藥品

（1）儀器：試管、水槽、酒精燈、橡皮塞、鑷子、試管夾。

（2）藥品：白磷、紅墨水、濾紙、水等。

5 改進的步驟

5.1 裝置圖

實驗裝置如圖2所示。

5.2 實驗步驟

（1）將試管裝滿水，塞上橡皮塞，在橡皮塞下部做上記號5。

（2）將試管中的水倒入量筒中測量，再倒1/5體積的水于試管中，直立試管，做上記號1，倒凈試管中的水。

（3）用鑷子取足量的小塊白磷，用濾紙吸干水，迅速放人試管中，塞緊橡皮塞。

（4）將試管放人裝有70℃熱水的大燒杯中，觀察白磷燃燒。

（5）白磷燃燒熄滅后，迅速把試管放人冷水中冷卻。取出，擦干水。

（6）再次將試管放到酒精燈上加熱，可以看到又有少量白煙產(chǎn)生。證明試管內(nèi)氧氣不足時白磷不能燃燒，但可以繼續(xù)反應(yīng)，徹底消耗試管內(nèi)氧氣。

（7）待試管不太燙時，將試管放入水槽中，加速降溫。

（8）待試管內(nèi)白煙消失后，將試管豎直倒放入盛有紅色水的水槽中，在水面以下拔下試管塞，紅墨水立即進人試管，并讓水槽的水面與試管上的記號5相平。

（9）在水面以下用試管塞塞好試管口，將試管拿出，正立試管觀察，進入試管中的水高度大約與試管記號1相平。

6 改進的意義

（1）本實驗裝置簡單，操作簡便，代用品多，方便學(xué)生分組實驗。

（2）整個實驗過程都在密封的容器中進行，生成物不會污染空氣，體現(xiàn)了實驗的“綠色化”。

（3）密封的容器剔除了導(dǎo)管中的空氣和水對實驗的影響，體現(xiàn)了實驗的“科學(xué)化”。

（4）克服了鐘罩和集氣瓶因容積過大，燃燒磷較多，放熱多，冷卻時間長，實驗耗時長和浪費藥品的缺點，體現(xiàn)了實驗的“微型化”。

（5）精確完整的實驗步驟，實驗誤差小，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度。

（6）過量的白磷二次反應(yīng)，消耗完試管內(nèi)空氣中的氧氣，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。

（7）紅墨水與玻璃顏色有鮮明的對比，現(xiàn)象明顯，可信度高。