空氣中氧氣含量測定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與拓展

任佳+馬麗

摘 要： 空氣中氧氣含量測定實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重要的演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)操作的難點(diǎn)在于裝置的氣密性不好，紅磷燃燒有一定的危險(xiǎn)性，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的五氧化二磷有毒。對于教材實(shí)驗(yàn)中存在的問題通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，利用加熱玻璃棒間接點(diǎn)燃白磷，同時(shí)使燃燒過程在密閉容器內(nèi)發(fā)生，從而提高實(shí)驗(yàn)的成功率和準(zhǔn)確率。

關(guān)鍵詞： 含量測定 引發(fā)反應(yīng) 實(shí)驗(yàn)改進(jìn) 鎂條燃燒

空氣中氧氣含量測定實(shí)驗(yàn)是廣東教育出版社九年級化學(xué)教科書上冊第30頁的實(shí)驗(yàn)[1]，這個(gè)實(shí)驗(yàn)對學(xué)生認(rèn)識空氣的組成起著重要的作用，是促進(jìn)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的較好的實(shí)驗(yàn)。

一、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)原因

教材中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是利用紅磷燃燒消耗集氣瓶里的氧氣，使得瓶內(nèi)壓強(qiáng)減小，在大氣壓的作用下燒杯內(nèi)的水沿著導(dǎo)管進(jìn)入集氣瓶里，通過集氣瓶內(nèi)水面上升的體積判斷氧氣的含量。在此實(shí)驗(yàn)操作中，往往會出現(xiàn)以下一些問題：實(shí)驗(yàn)中要求紅磷過量以消耗容器內(nèi)全部氧氣，而紅磷用量過多時(shí)，點(diǎn)燃后，火星會飛濺在實(shí)驗(yàn)臺或其他地方，造成安全隱患。紅磷在敞開的體系中點(diǎn)燃，產(chǎn)生的五氧化二磷有毒且污染空氣。紅磷燃燒放熱，一伸進(jìn)集氣瓶內(nèi)，瓶口的空氣立即膨脹外溢，導(dǎo)致水面上升大于五分之一，沒有說服力。

二、對其他實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法的嘗試

經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)許多一線教師都對此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了多種方法改進(jìn)，根據(jù)教材上的實(shí)驗(yàn)原理，對課本實(shí)驗(yàn)再改進(jìn)的方法主要有三種（如圖1）：

1.用凸透鏡將太陽光聚焦到白磷，使白磷燃燒。此方法可以防止燃燒匙伸入集氣瓶時(shí)氣體逸散。但是此方法會受到天氣影響，只有在陽光充足的情況下實(shí)驗(yàn)才有可能成功。

2.用水浴加熱的辦法使白磷燃燒。此方法同樣可以防止燃燒匙伸入集氣瓶時(shí)氣體逸散。但實(shí)驗(yàn)時(shí)要不斷給水浴加熱，才能使白磷燃燒，同時(shí)要避免集氣瓶過熱爆裂，此方法比較耗時(shí)且不易成功。

3.將銅絲穿過橡膠塞，下端接觸白磷，加熱銅絲的上端，利用銅絲良好的導(dǎo)熱性點(diǎn)燃白磷。此方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、環(huán)保，保證裝置的氣密性。但具體實(shí)施時(shí)卻遇到了比較多的問題，如市面上很難買到粗銅絲；又由于銅比較軟，在穿過橡膠塞時(shí)容易彎曲，導(dǎo)致裝置漏氣。實(shí)驗(yàn)時(shí)筆者發(fā)現(xiàn)即使是粗銅絲在加熱很長時(shí)間后都很難將試管里的白磷點(diǎn)著，改用玻璃鐘罩，當(dāng)氧氣充足時(shí)，銅絲才可能引燃白磷，此實(shí)驗(yàn)的成功率較低。

筆者在相關(guān)習(xí)題和教參中同樣發(fā)現(xiàn)有許多其他變形裝置（如圖2），都是利用燃燒法測定空氣中氧氣含量。如利用直玻璃管，一端密封，放入白磷，另一端塞好活塞標(biāo)記位置，加熱白磷，根據(jù)活塞的起始距離得出氧氣含量。在實(shí)際操作中并不易找到大小合適的活塞完成實(shí)驗(yàn)。再如利用注射器和試管連接，加熱試管中的紅磷，由注射器活塞移動的距離計(jì)算氧氣含量?？此朴行Ю米⑸淦鹘鉀Q了活塞問題，但是裝置略顯復(fù)雜，需要兩個(gè)鐵架臺固定此裝置。

在各種各樣的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，筆者發(fā)現(xiàn)裝置的復(fù)雜程度逐步升高，有為創(chuàng)新而創(chuàng)新的趨勢，失去應(yīng)有的教學(xué)使用價(jià)值，與創(chuàng)新的初衷背道而馳[2]?；诖?，筆者進(jìn)行再改進(jìn)，使實(shí)驗(yàn)操作更簡單，實(shí)驗(yàn)效果更佳。

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路

反復(fù)實(shí)驗(yàn)中，以上改進(jìn)方法沒有達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果，筆者受到“玻璃棒一端放在酒精燈火焰上灼燒至紅熱，然后用紅熱的玻璃棒引發(fā)二者發(fā)生反應(yīng)”的啟發(fā)，想到可以利用玻璃棒“引發(fā)反應(yīng)”這一作用將集氣瓶中的白磷點(diǎn)燃。

具體操作方法如下（圖3）：

1.將教材實(shí)驗(yàn)中的燃燒匙換成玻璃棒，檢查好裝置的氣密性，并將瓶內(nèi)氣體體積均分五等份。

2.然后在集氣瓶內(nèi)裝入少量細(xì)沙，平鋪于瓶底。

3.再在玻璃棒的正對下方放足量白磷，并與玻璃棒下端保持一小段距離。

4.最后在燒杯里加入大半杯紅水。

5.實(shí)驗(yàn)裝置準(zhǔn)備好后，用酒精燈加熱玻璃棒的下端，待玻璃棒熱了后迅速插入集氣瓶中，塞好橡膠塞，白磷遇熱燃燒，稍后白磷熄滅，在集氣瓶冷卻到室溫后松開止水夾，燒杯里的水進(jìn)入集氣瓶，最后水面在五分之一記號處。

四、改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

1.將紅磷更換為白磷，由于白磷的著火點(diǎn)更低，操作更為簡便節(jié)能。

2.改燃燒匙為玻璃棒，使實(shí)驗(yàn)操作更容易控制，安全可靠。

3.實(shí)驗(yàn)在密閉的容器中進(jìn)行，避免了污染。

4.整個(gè)燃燒過程在密閉容器中進(jìn)行，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

5.采用染色的水，對比效果更好。

6.改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)不受環(huán)境影響，成功率100%。

7.改進(jìn)方法較前三種方法節(jié)約時(shí)間。

8.此裝置所用的儀器都是實(shí)驗(yàn)室配備的基本儀器，不需要另外采購。

五、實(shí)驗(yàn)拓展思路與方法

實(shí)驗(yàn)思路（圖4）：白磷的燃燒消耗了氧氣，瓶中剩余的主要是氮?dú)?，利用鎂條在剩余的氮?dú)庵腥紵寣W(xué)生通過觀察認(rèn)識到燃燒不一定有氧氣參與。

實(shí)驗(yàn)方法：在上述實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉止水夾，將鎂條打磨后，用坩堝鉗夾住，在酒精燈上引燃，打開集氣瓶塞，將燃著的鎂條伸入集氣瓶中，可觀察到鎂條在氮?dú)庵腥紵?/p>

此拓展實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)了科學(xué)探究的過程，啟發(fā)了學(xué)生的科學(xué)思維，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]江琳才.化學(xué)（九年級上冊）[M].廣州：廣東教育出版社，2016.

[2]陶杰.制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)一體化裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制作[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2016（6）：49.