空氣中氧氣體積含量測定實驗的新設(shè)計

楊國萍 齊俊林

摘要：現(xiàn)行九年級化學教材中測定空氣中氧氣含量的實驗方法誤差較大且污染空氣，教學效果很不理想。為此，利用玻璃瓶、燃燒匙、粗銅絲、蠟燭和燒杯等器材，通過精心設(shè)計、巧妙組合，制成了簡單易行的“空氣中氧氣體積含量測定實驗裝置”，不僅使教材中原實驗方法存在的問題迎刃而解，而且培養(yǎng)了學生的綜合實驗能力以及創(chuàng)新精神，增強了學生的環(huán)保意識。

關(guān)鍵詞：氧氣含量；測定實驗；裝置改進；實驗設(shè)計；環(huán)保意識

文章編號：1005–6629（2016）3–0057–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

在現(xiàn)行九年級化學教材中，無論是人教版[1]，還是滬教版[2]有關(guān)測定空氣里氧氣含量的實驗方法都是相同的（如圖1所示）。此種方法盡管簡單、易于操作，但也存在著不妥之處。其一，點燃的紅磷放置到集氣瓶的過程中，無論動作多么迅速，都不可避免地使瓶內(nèi)的空氣受熱膨脹而外逸，最終造成測定空氣中氧氣含量偏大；其二，由于燃燒時瓶內(nèi)壓強過大，向外頂出橡膠塞，造成密封不嚴，導致漏氣現(xiàn)象發(fā)生，致使測定空氣中氧氣含量偏?。黄淙?，若橡膠塞塞得很緊，以保障實驗過程不漏氣，則燃燒時瓶內(nèi)壓強瞬間增大，玻璃瓶容易爆裂，造成實驗失敗或危及師生安全；其四，紅磷在瓶外點燃時，生成的五氧化二磷（白煙），造成室內(nèi)粉塵污染，影響師生健康。近年來，一些教師進行了大膽改進，共同目的都是試圖通過改變在瓶外點燃紅磷為瓶內(nèi)點燃，以解決測定不準確和五氧化二磷的污染問題，但仍然存在這樣或那樣的問題。有的實驗[3]通過凸透鏡照射瓶內(nèi)白磷致其燃燒，受外界條件（如天氣）的影響較大，更不適合在室內(nèi)進行實驗（如圖2所示）；有的實驗[4]加熱紅磷的方法很難實現(xiàn)（如圖3所示），這是因為一般的鐵片在電磁爐上很難形成渦流而被加熱；有的實驗[5]在瓶外加熱玻璃棒后再伸進瓶內(nèi)點燃白磷（如圖4所示），熾熱的玻璃棒在伸進瓶內(nèi)的過程中仍然可使瓶內(nèi)氣體受熱膨脹且通過瓶口外逸，造成實驗誤差，導致氧氣含量過大；還有的實驗[6]水浴加熱錐形瓶內(nèi)的白磷以實現(xiàn)將其點燃之目的（如圖5所示），此法雖然可以點燃白磷，但作者沒有考慮錐形瓶塞緊膠塞時，加熱錐形瓶以及白磷燃燒時因瓶內(nèi)氣體瞬間膨脹而帶來的后果。以上列舉的實驗改進實例盡管沒有在瓶外空氣中點燃磷及其插入瓶內(nèi)的過程，解決了磷在瓶外點燃造成空氣粉塵污染問題，但忽視了加熱磷或磷燃燒時會使密封在瓶體內(nèi)的氣體瞬間膨脹，導致瓶塞被頂出或瓶體炸裂，從而導致測量氧氣的含量低或帶來安全隱患。究其原因，主要加熱磷和磷燃燒是在一個密閉的剛性容器中進行的，容器本身不能自行調(diào)節(jié)內(nèi)部壓強的變化。為此，我們對該實驗進行了認真研究，利用玻璃瓶、燃燒匙、粗銅絲、蠟燭等材料，設(shè)計出了較為理想的實驗方法，很好地解決了實驗中測定不準、污染空氣、安全性差、受外界條件影響較大等諸多問題。

玻璃瓶（瓶口內(nèi)徑：4.3cm；外徑：5cm；瓶高：25cm）1個、粗銅絲（直徑約1.4mm，20cm長）、粗鐵絲（10cm）、蠟燭（2cm）1段、燃燒匙1個、10號橡膠塞1個、鐵鉗1把、火柴1盒、燒杯（5000mL）1個、小刀1把、玻璃片1塊、紅色膠帶若干

白磷、紅磷、冷水、高錳酸鉀晶體、凡士林

2.1 加工玻璃瓶

取1個玻璃瓶，用玻璃打孔器在底部的中央位置打1個直徑3cm的透孔（如圖6所示）。將瓶子的體積分成6等份，然后沾上紅色膠帶條作為標記（如圖7所示）。

2.2 制作蠟燭支座

取1根粗鐵絲，用鐵鉗彎成一個蠟燭支座（如圖8所示）。

2.3 導熱銅絲加工

取1根粗銅絲，用鐵鉗彎成一端螺旋狀的直角導熱銅絲（如圖9所示）。

2.4 橡膠塞的組裝

取1個10號橡膠塞，在其中央位置插入導熱銅絲，在導熱銅絲的一側(cè)穿過橡膠塞插入燃燒匙的鐵柄，然后將鐵柄上端彎成直角，在橡膠塞上下的燃燒匙的鐵柄上涂上凡士林；橡膠塞大頭端的下方橫插蠟燭支座；調(diào)整導熱銅絲和蠟燭支座，使導熱銅絲螺旋狀部分與蠟燭支座上下對齊；調(diào)整上下燃燒匙，使導熱銅絲的下端正好在燃燒匙的勺子里（如圖10所示）。

實驗裝置如圖12所示。

4.1 固定蠟燭、加入藥品

取1根蠟燭，放在蠟燭的支座上。在燃燒匙里加入2/3體積的紅磷后，在紅磷的中央位置加入少量白磷細末并凸起堆成半球狀。調(diào)整燃燒匙的高度，使導熱銅絲的下端正好插入半球狀白磷粉末的中央（如圖11所示）。

4.2 燒杯內(nèi)加入帶色溶液

取1只大燒杯，將帶有標記的透底玻璃瓶放在中央位置后，加入稀高錳酸鉀溶液至液面到玻璃瓶的第一個標記處（如圖13所示）。

4.3 瓶口處裝入膠塞

將裝入磷和蠟燭的橡膠塞緊緊塞在瓶口處（注意塞上膠塞后要保證燒杯內(nèi)溶液的液面與瓶體第一刻度線相平，如圖12所示）。

4.4 加熱白磷使其點燃

用火柴點燃蠟燭（如圖14所示），用蠟燭的火焰加熱銅絲，2～3min后，首先觀察到白磷燃燒（4P+5O2

點燃= 2P2O5），接著紅磷被燃燒的白磷引燃并燃燒（4P+5O2點燃= 2P2O5），產(chǎn)生白煙。此時熄滅蠟燭的火焰，用力下插燃燒匙的鐵柄，使燃燒匙的勺子位于瓶體下數(shù)第二條至第三條紅線標記處，使氧氣消耗完全，并防止磷燃燒產(chǎn)生的火焰將橡膠塞烤壞。

4.5 觀察液面變化

當燃燒匙內(nèi)燃燒的磷火焰熄滅后，待瓶體內(nèi)的氣體完全冷卻至室溫時，可觀察到燒杯內(nèi)的液面下降，瓶體內(nèi)的液面上升至瓶體下數(shù)第二個刻度線（如圖15所示），由此說明空氣中氧氣的含量（體積）約占1/5。

5.1 使用帶色溶液的目的

該實驗不用無色的冷水，而用淺紫色的稀高錳酸鉀溶液是為了增加實驗的可見度，易于學生觀察，增強實驗效果。

5.2 白磷的作用

該實驗也可以全部使用白磷。使用少量白磷和大部分紅磷之目的是為了節(jié)省實驗開支，在實驗中因白磷著火點低，起到了引燃的作用。

5.3 涂抹凡士林的目的

在燃燒匙鐵柄涂抹凡士林，其目的是為了上下抽動燃燒匙鐵柄時減少摩擦力。

5.4 裝置自行調(diào)節(jié)內(nèi)部壓強

該實驗使用自制鐘罩作為實驗裝置，因與大氣相通，瓶內(nèi)壓強可以自行調(diào)節(jié)，不會引起橡膠塞的頂出或瓶體爆裂，造成實驗失敗。

5.5 消除污染、避免誤差

由于磷的點燃與燃燒自始至終都在密閉的瓶體內(nèi)進行，消除了五氧化二磷對室內(nèi)的粉塵污染，也避免了燃燒的磷在插入瓶體過程中使瓶體內(nèi)空氣外逸，造成實驗誤差。

5.6 理科綜合實驗

在做化學實驗的同時，還演示了物理學中金屬的熱傳導原理，是一個典型的理科綜合實驗。通過實驗開拓了學生視野，培養(yǎng)了學生理科綜合實驗能力。

5.7 加熱時無損于橡膠塞

蠟燭加熱銅絲至白磷燃燒的溫度，不會導致橡膠塞燙壞、受損，這是因為白磷的著火點只有40℃，這個溫度或偏高一點，橡膠塞將安然無恙。

5.8實驗裝置特點

該實驗取材容易，制作簡單，操作容易，現(xiàn)象明顯，不污染空氣，適合課堂演示和學生分組實驗。裝置一旦制成以后可以長期保存，反復使用。

參考文獻：

[1]中學化學國家課程標準研制組.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2012：13.

[2]課程教材研究所化學課程教材研究開發(fā)中心.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2006：27.

[3]熊正祥.“測定空氣中氧氣含量”實驗的改進[J].中學化學教學參考，2011，（5）：123.

[4]陳海濤，鄒軍.空氣中氧氣體積含量測定實驗的改進[J].化學教學，2014，（12）：70.

[5]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，（1～2）：21.

[6]王國崢.空氣組成測定實驗改進[J].化學教學，2009，（3）：15.