張章錄

摘要：以加熱高錳酸鉀制取氧氣為例，借助手持技術(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段證實(shí)了“氣泡連續(xù)、均勻冒出”時(shí)排出的氣體中氧氣濃度僅為28.7%左右。結(jié)合氧氣性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，探討并確認(rèn)了“氣泡連續(xù)、均勻冒出”后25秒左右才是排水法收集氧氣最適宜的時(shí)機(jī)。

關(guān)鍵詞：排水法；氧氣收集；時(shí)機(jī)選擇；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2015）7–0068–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

排水法收集氧氣由于其收集的氧氣濃度較排空氣法高，且實(shí)驗(yàn)完成直觀可見，常是實(shí)驗(yàn)室制取氧氣首選的集氣方法。對(duì)于排水法收集氧氣的具體操作細(xì)節(jié)教科書中雖然沒有作詳細(xì)的表述[1]，但在與教科書配套使用的教師教學(xué)指導(dǎo)書中有“為收集到較純的氧氣，要等導(dǎo)管口均勻冒出氣泡時(shí)才收集”[2]的表述。為此，將“氣泡連續(xù)、均勻冒出”作為開始收集氧氣最適宜的時(shí)機(jī)是公認(rèn)的普遍做法，大家習(xí)慣性認(rèn)為此時(shí)排出的氧氣已經(jīng)比較純凈。事實(shí)真的如此嗎？過去受實(shí)驗(yàn)工具限制，這種做法的準(zhǔn)確性并沒經(jīng)過具體的實(shí)驗(yàn)論證，只是作為一個(gè)“經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論”沿續(xù)下來?，F(xiàn)在有了手持技術(shù)這一研究手段，其數(shù)字化的研究優(yōu)勢能夠?yàn)樵摻Y(jié)論的可靠性論證提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2 問題的研究

2.1 氧氣濃度的測定實(shí)驗(yàn)

利用濃度傳感器測定“氣泡連續(xù)、均勻冒出”時(shí)氧氣的濃度，并通過數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)繪制濃度變化曲線，從而獲取實(shí)驗(yàn)所需的相關(guān)數(shù)據(jù)。具體實(shí)驗(yàn)過程如下。

采用加熱高錳酸鉀的方法產(chǎn)生氧氣，測定不同時(shí)刻從試管排出的氣體中氧氣的濃度，所用裝置和儀器如圖1所示（試管規(guī)格30×200mm；玻璃導(dǎo)管內(nèi)徑4mm，長度400mm）。

實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的氧氣通過一個(gè)倒置在水中的漏斗收集。加熱藥品的時(shí)間（預(yù)熱后對(duì)藥品集中加熱時(shí)開始計(jì)時(shí)）與對(duì)應(yīng)排出氣體中氧氣濃度的數(shù)據(jù)通過與漏斗相連的傳感器進(jìn)行測定，所得數(shù)據(jù)的圖像如圖2所示。

圖2顯示，反應(yīng)過程中氧氣濃度的變化呈現(xiàn)四個(gè)主要時(shí)段：加熱初期，氧氣濃度逐漸增大（初始每秒增加0.1%，隨后為0.5%～1%）；接著快速增大（每秒遞增2%～3%）；然后又逐漸變緩（每秒增加0.5%～1%）；最后趨于穩(wěn)定。結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程觀察到每一時(shí)段氣泡冒出的情況，將相關(guān)信息歸納如表1所示。

從表1可以看出，在加熱藥品的第I時(shí)段后期（11～16s），氣泡已經(jīng)連續(xù)、均勻且快速冒出，但此時(shí)從試管中排出氣體中氧氣的濃度最多只有28.7%左右。為此，教材中“當(dāng)氣泡連續(xù)、均勻冒出時(shí)表示排出的氧氣已經(jīng)比較純凈”的說法是不符合真實(shí)情況的。

2.2 不同時(shí)機(jī)收集氧氣的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)

氧氣濃度的測定實(shí)驗(yàn)證明加熱高錳酸鉀制取氧氣時(shí)，當(dāng)氣泡連續(xù)、均勻冒出時(shí)，從導(dǎo)氣管排出的氧氣還是不夠純凈的。當(dāng)然這并不能說明此刻不能作為收集氧氣的時(shí)機(jī)，因?yàn)閷?duì)于初中氧氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)而言，氧氣濃度只需達(dá)到一定的數(shù)值，即滿足實(shí)驗(yàn)要求即可。因此，此時(shí)收集的氧氣能否達(dá)到完成氧氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的濃度要求，成為判斷是否是收集氣體適宜時(shí)機(jī)的關(guān)鍵所在[3]。為此，又進(jìn)行以下的實(shí)驗(yàn)。

如表1所示，參照“氣泡連續(xù)、均勻冒出”時(shí)“加熱時(shí)間”的情況，選取第I時(shí)段中期（對(duì)藥品集中加熱后10秒左右，下稱“時(shí)機(jī)1”）、第II時(shí)段的初始期（對(duì)藥品集中加熱后15秒左右，下稱“時(shí)機(jī)2”）及第III時(shí)段的初始期（對(duì)藥品集中加熱后35秒左右，下稱“時(shí)機(jī)3”）這三個(gè)時(shí)間點(diǎn)為開始收集氧氣的時(shí)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

采用加熱高錳酸鉀的方法產(chǎn)生氧氣，按照所選擇的三個(gè)時(shí)機(jī)分別進(jìn)行排水法收集氧氣的實(shí)驗(yàn)，每個(gè)時(shí)機(jī)各進(jìn)行4次收集氧氣的實(shí)驗(yàn)（每次實(shí)驗(yàn)所用的高錳酸鉀質(zhì)量相同、預(yù)熱時(shí)間保持相同），分別收集4瓶容積為150mL的氧氣（其中1瓶預(yù)留少量的水）。利用不同時(shí)機(jī)收集到的氧氣分別進(jìn)行帶火星的木條復(fù)燃、木炭燃燒、蠟燭燃燒及鐵絲燃燒等實(shí)驗(yàn)，記錄觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，具體情況如表2所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，“時(shí)機(jī)1”收集的氧氣能滿足帶火星木條復(fù)燃的實(shí)驗(yàn)要求，只能基本達(dá)到蠟燭燃燒的實(shí)驗(yàn)要求，而沒能達(dá)到木炭燃燒和鐵絲燃燒的實(shí)驗(yàn)要求；“時(shí)機(jī)2”收集的氧氣雖然能完成所有的四個(gè)實(shí)驗(yàn)，但木炭燃燒和鐵絲燃燒的實(shí)驗(yàn)效果不理想；“時(shí)機(jī)3”收集的氧氣進(jìn)行的四個(gè)實(shí)驗(yàn)效果均很理想。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 排水法收集氧氣的適宜時(shí)機(jī)

縱觀選擇的三個(gè)時(shí)機(jī)收集氧氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的效果來看，“時(shí)機(jī)3”即氣泡連續(xù)、均勻冒出后35秒左右收集的氧氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的效果較為理想。根據(jù)氧氣濃度只需達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求這一原則，所以排水法收集氧氣的時(shí)機(jī)應(yīng)以氧氣能否達(dá)到完成氧氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的濃度要求為標(biāo)準(zhǔn)，為此“時(shí)機(jī)3”可認(rèn)為是排水法收集氧氣較為適宜的時(shí)機(jī)。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)際應(yīng)用的討論

在具體的制取實(shí)驗(yàn)中，采用“時(shí)機(jī)3”作為排水法收集氧氣的起始時(shí)刻是較為合理的做法，但此時(shí)機(jī)不好把握，需要借助計(jì)時(shí)工具。而采用易于判斷的“時(shí)機(jī)1”收集到的氧氣卻基本不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在“時(shí)機(jī)1”（即氣泡剛剛連續(xù)均勻冒出后）收集一瓶容積50mL的氧氣，一般需要30秒左右的時(shí)間，此時(shí)刻剛好與“時(shí)機(jī)3”的時(shí)間點(diǎn)基本一致，因此筆者認(rèn)為在進(jìn)行排水法收集氧氣的實(shí)驗(yàn)時(shí)，可采用折中的做法進(jìn)行收集氧氣適宜時(shí)機(jī)的判斷，即仍以“氣泡連續(xù)、均勻冒出”為氣體的收集起始時(shí)刻，收集滿一瓶50mL的氧氣（此瓶氧氣一般不用于實(shí)驗(yàn)，主要起計(jì)時(shí)作用）后，方為收集氧氣的適宜時(shí)機(jī)。

2.3.3 有關(guān)實(shí)驗(yàn)操作誤差的討論

在具體的實(shí)驗(yàn)操作過程中，由于藥品堆放的方式、預(yù)熱的方式、試管的規(guī)格、導(dǎo)氣管的粗細(xì)長短、集中加熱的部位以及酒精燈火焰的大小等因素不盡相同，都可能使該實(shí)驗(yàn)確定的三個(gè)不同時(shí)機(jī)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間存在一定的偏差。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，排水法收集氧氣時(shí)，當(dāng)“氣泡連續(xù)、均勻冒出”，從試管中排出氣體中氧氣的濃度最多只有28.7%左右，此時(shí)進(jìn)行收集的氣體不能滿足氧氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的基本要求，所以傳統(tǒng)的教學(xué)將“氣泡連續(xù)、均勻冒出”作為開始收集氧氣最適宜時(shí)機(jī)的做法是不符合真實(shí)情況的。只有在“氣泡連續(xù)、均勻冒出”后35秒左右再開始收集，得到的氣體進(jìn)行氧氣性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的效果才較為理想。為此，將“氣泡連續(xù)、均勻冒出”后35秒左右確定為排水法收集氧氣的最適宜時(shí)機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祖浩主編.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].上海：上海教育出版社，2014：35.

[2]王祖浩主編.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)教師教學(xué)指導(dǎo)書（九年級(jí)上冊(cè)）[M].上海：上海教育出版社，2006：35.

[3]鄭長龍.化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程與教學(xué)論[M].北京：高等教育出版社，2009：160.