“測(cè)定空氣中氧氣的含量”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和反思

張潔+宋守娟

摘要：基于現(xiàn)行魯教版九年級(jí)化學(xué)課本中“測(cè)定空氣中氧氣的含量”實(shí)驗(yàn)，對(duì)藥品要求較高，實(shí)驗(yàn)條件較難控制，實(shí)驗(yàn)成功率低的問(wèn)題，通過(guò)限定藥品用量、更換藥品、改進(jìn)裝置、興趣實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的方法探索，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)，提高了實(shí)驗(yàn)效率，并能啟發(fā)學(xué)生敢于質(zhì)疑，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力及探究精神。

關(guān)鍵詞：空氣中氧氣含量測(cè)定；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1005–6629（2015）4–0050–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

現(xiàn)行魯教版九年級(jí)化學(xué)課本中“測(cè)定空氣中氧氣的含量”實(shí)驗(yàn)，用圖1裝置和銅粉來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)趣味性強(qiáng)，以此為載體引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行誤差分析，能有效訓(xùn)練學(xué)生的發(fā)散性思維能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

可是在實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)存在如下問(wèn)題：

（1）實(shí)驗(yàn)室里久置的銅粉不是呈亮紫紅色，而是呈褐色。

（2）用新制的銅粉做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加熱時(shí)玻璃管里的銅粉表面生成一層黑色固體，停止加熱，黑色固體又慢慢變成磚紅色，且結(jié)成硬塊粘附在玻璃管內(nèi)壁上。

（3）實(shí)驗(yàn)所用時(shí)間長(zhǎng)，完成一次實(shí)驗(yàn)約需15分鐘。

（4）經(jīng)過(guò)20多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差平均值大于25%，有的實(shí)驗(yàn)甚至不能成功。

基于上述幾方面的問(wèn)題，以期尋找更好的實(shí)驗(yàn)方法，獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果，我們進(jìn)行如下的探索和改進(jìn)。

1 通過(guò)限定藥品用量化解弊端

1.1 探索與分析

查閱資料得知，銅粉質(zhì)軟，研磨加工困難，在潮濕空氣中容易氧化變質(zhì)成氧化銅，需要采用氮?dú)獗Ｗo(hù)、真空包裝。我校實(shí)驗(yàn)室里的銅粉屬于超細(xì)銅粉，因無(wú)法采用氮?dú)獗Ｗo(hù)或真空保存，久置后部分銅粉變質(zhì)生成氧化銅，所以顏色呈褐色。

紅色的含銅元素的固體物質(zhì)有銅和氧化亞銅。向少量加熱新制銅粉所得的磚紅色固體中加入稀鹽酸，發(fā)現(xiàn)有少量氣泡放出，溶液變?yōu)闇\黃色，有少許白色沉淀生成，試管底部有紅色固體沉積。通常情況下銅不與稀鹽酸反應(yīng)，我們猜想紅色固體中可能含有氧化亞銅。氧化亞銅與稀鹽酸發(fā)生歧化反應(yīng)，生成銅和氯化銅。用氫氣還原磚紅色固體，得到亮紫紅色固體，也證明磚紅色固體中含有氧化亞銅。

1.2 改進(jìn)方法

經(jīng)過(guò)分析和反思，根據(jù)密閉容器內(nèi)氧氣的體積計(jì)算所需銅粉的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)時(shí)讓銅粉稍過(guò)量（裝置中封閉空氣65mL，理論上需銅粉0.074g，實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)在玻璃管中放入銅粉0.2g）。加熱銅粉，在加熱過(guò)程中，不斷緩慢推拉注射器的活塞，讓銅粉與氧氣充分反應(yīng)。停止加熱后，將注射器內(nèi)的氣體全部推出，讓氣體先儲(chǔ)存到氣球里，待裝置冷卻至室溫時(shí)，再將氣球里的氣體緩慢全部擠出，使注射器的活塞后退，直到活塞穩(wěn)定。如果使用的玻璃管和注射器容積較大，密閉容器內(nèi)封閉空氣較多，需銅粉質(zhì)量較大時(shí)，應(yīng)將銅粉薄薄地平鋪在玻璃管中，以免銅粉堆積使熱量聚集導(dǎo)致氧化銅分解，也避免反應(yīng)不充分造成浪費(fèi)。

1.3 改進(jìn)效果

限制銅粉用量之后，生成的黑色固體沒(méi)有再變成磚紅色，經(jīng)過(guò)10次實(shí)驗(yàn)測(cè)得相對(duì)誤差平均值為17%，實(shí)驗(yàn)誤差有所減小。但玻璃管與氣球連接口容易漏氣；對(duì)氣球的要求也比較高，用彈性好張力大、厚薄適當(dāng)?shù)臍馇蜉^好，如5cm長(zhǎng)的圓形橡膠玩具氣球；將氣球里的氣體往玻璃管中擠時(shí)需十分仔細(xì)；作為學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)誤差仍然較大，且耗時(shí)長(zhǎng)（約需10分鐘）。

2 通過(guò)更換藥品使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯

2.1 實(shí)驗(yàn)探究

紅磷在氧氣中容易燃燒，反應(yīng)充分，生成白煙，易散熱，我們用紅磷代替銅粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)氧氣的體積計(jì)算所需紅磷的質(zhì)量（理論上需要0.0144g），實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)每次用0.3g。進(jìn)行4組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)得氧氣體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)如下：

2.2 注意事項(xiàng)

用紅磷替換銅粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榧t磷易燃，作為學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)有一定的危險(xiǎn)性。需在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行，同時(shí)注意以下幾點(diǎn)：

（1）認(rèn)真檢查裝置氣密性；

（2）準(zhǔn)確測(cè)量玻璃管的體積，準(zhǔn)確讀出玻璃管和注射器內(nèi)封閉空氣的總體積；

（3）實(shí)驗(yàn)中不斷緩慢推動(dòng)注射器的活塞，不斷輕輕擠壓氣球，使氧氣充分參與反應(yīng)；

（4）讀數(shù)前，氣球里的氣體需全部擠壓到玻璃管中，待裝置冷卻到室溫再讀數(shù)；

（5）由于紅磷燃燒產(chǎn)生白煙放熱，需硬質(zhì)玻璃管；氣球應(yīng)選擇彈性好張力大的，如大3號(hào)圓形橡膠玩具氣球；

（6）紅磷用量需根據(jù)氧氣質(zhì)量計(jì)算得出，不要過(guò)量太多，以免造成污染與浪費(fèi)。紅磷易燃，使用時(shí)一定注意不要撒到外面，用剩的紅磷要統(tǒng)一回收。

2.3 改進(jìn)效果

將銅粉換成紅磷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)行教材的用銅粉實(shí)驗(yàn)相比較，實(shí)驗(yàn)誤差小（4次實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差平均值約為8.1%）；且只需稍稍加熱玻璃管，紅磷即可燃燒，生成白煙，反應(yīng)迅速且充分，現(xiàn)象明顯，容易操作；白煙分散附著于玻璃管內(nèi)壁迅速散熱，實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短（每次實(shí)驗(yàn)約需6分鐘），實(shí)驗(yàn)的成功率比較高，教學(xué)中更有說(shuō)服力和可行性。

3 通過(guò)改變裝置提高實(shí)驗(yàn)成功率

為了避免氣球易爆易漏氣且不易將其中氣體全部擠出的缺點(diǎn)，我們從學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中尋找靈感，改用下圖裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.1 改進(jìn)方法

在一支50mL的試管中裝入約0.2g的新制銅粉，平鋪均勻，用橡皮塞將試管密封（塞約占試管容積1/50），在橡皮塞上插兩支注射器，注射器中密封約16mL空氣，試管與注射器中共有65mL空氣。將試管固定在鐵架臺(tái)上，并用酒精燈加熱試管，同時(shí)緩慢交替推動(dòng)注射器的活塞，直到銅粉顏色不再變化。停止加熱，用吹風(fēng)機(jī)使試管迅速冷卻至室溫，讀數(shù)，注射器中剩余氣體約3mL，從而得出結(jié)論，氧氣約占空氣體積的1/5。

3.2 注意事項(xiàng)

（1）檢查圖2裝置的氣密性，在試管和注射器內(nèi)共預(yù)留空氣65mL。

（2）預(yù)先根據(jù)氧氣體積計(jì)算與其恰好完全反應(yīng)時(shí)所需銅粉質(zhì)量約為0.074g。為使氧氣全部參加反應(yīng)，在試管中平鋪約0.2g新制的銅粉。

（3）給銅粉加熱，并且不斷緩慢地推動(dòng)注射器的活塞（玻璃注射器效果更好），直到固體全部變成黑色，停止加熱。

（4）待裝置冷卻到室溫時(shí)讀數(shù)。

（5）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，注射器內(nèi)減少的空氣體積約為13mL，是空氣體積（65mL）的1/5。

3.3 改進(jìn)效果

該裝置用另一支注射器代替氣球，氣密性好，交替推動(dòng)注射器活塞容易進(jìn)行氣體交換，避免了氣球擠壓時(shí)易爆、易失去彈性的缺點(diǎn)，且注射器可以多次使用，不易損壞。本實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短（4分鐘），實(shí)驗(yàn)誤差小，實(shí)驗(yàn)成功率高，實(shí)驗(yàn)效果更好。

4 通過(guò)增加趣味性激發(fā)實(shí)驗(yàn)興趣

在實(shí)際課堂教學(xué)中，為增加教學(xué)的趣味性，還可以從老師同學(xué)設(shè)計(jì)的趣味實(shí)驗(yàn)中尋找靈感，啟發(fā)學(xué)生做一些趣味實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

用圖3裝置和熱帖（暖寶寶）中的藥品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以期對(duì)學(xué)生有所啟發(fā)。在注射器中封閉約2mL熱帖中的固體，預(yù)留15mL空氣，把注射器前端開(kāi)口用橡皮塞塞住，不斷輕輕晃動(dòng)注射器，固體與注射器內(nèi)的氧氣充分反應(yīng)，大約5分鐘后，注射器內(nèi)的氣體減少約3mL，說(shuō)明氧氣約占空氣體積的1/5。

4.2 實(shí)驗(yàn)效果

本實(shí)驗(yàn)取材于生活中的用品，在實(shí)驗(yàn)中仔細(xì)觀察，可以明顯看到注射器的活塞向下移動(dòng)，氣體體積逐漸減少，實(shí)驗(yàn)趣味性強(qiáng)。經(jīng)10次實(shí)驗(yàn)，相對(duì)誤差平均值小于5%，實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，易于操作，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，便于學(xué)生在家自主完成實(shí)驗(yàn)。

綜上所述，我們撰寫(xiě)本文的目的，就是要告訴學(xué)生解決一個(gè)問(wèn)題可以有多種思路，一種思路又可以有多種方法。同時(shí)啟發(fā)學(xué)生自主設(shè)計(jì)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在不斷的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、反思中完善方法，形成理念，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和探究精神。

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