姚秋玲+王鋒

摘要：基于初中化學(xué)教材中空氣里氧氣含量測定實驗的精確性、操作性及環(huán)境影響等方面的不足，利用量氣管原理、激光筆快速點火等方法設(shè)計了新的實驗裝置及操作方法。實踐表明，新設(shè)計的實驗具有裝置簡單、操作簡便、測量準(zhǔn)確、細(xì)節(jié)鮮明、效率高、效果好等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：空氣里氧氣含量測定；實驗裝置改進(jìn)；實驗探究

文章編號：1005–6629（2017）3–0072–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

空氣是人類最重要的生存資源之一，也是學(xué)生最熟悉的身邊的化學(xué)物質(zhì)之一。初中化學(xué)是化學(xué)教育的啟蒙階段，教材選用空氣作為學(xué)生在初中化學(xué)重點研究的第一種物質(zhì)。學(xué)生通過小學(xué)《科學(xué)》及生活經(jīng)驗中已了解其相關(guān)內(nèi)容，但空氣看不見，摸不著，因此學(xué)生對空氣的認(rèn)識只停留在粗淺的感性認(rèn)識層面?；瘜W(xué)教材借助實驗手段，讓學(xué)生的認(rèn)識更深入?？諝饫镅鯕夂繙y定的實驗，讓學(xué)生進(jìn)一步感受空氣的存在，更深入認(rèn)識空氣的組成，并在這一基礎(chǔ)上進(jìn)一步建構(gòu)純凈物和混合物的概念[1]。此外，學(xué)生在這一化學(xué)實驗中，初步學(xué)習(xí)了進(jìn)行觀察、記錄等實驗技能；初步學(xué)習(xí)了分析實驗現(xiàn)象獲得結(jié)論的方法；初步感受了定量測定的科學(xué)實驗方法。作為較復(fù)雜的定量演示，實驗過程中還產(chǎn)生五氧化二磷等污染物，因此，實驗的精確性、演示的簡潔性以及實驗的綠色化等方面便成為這一實驗改進(jìn)的重點內(nèi)容。本實驗將從以上幾個方面對本實驗的改進(jìn)進(jìn)行相關(guān)探討。

1 教材的經(jīng)典實驗設(shè)計

1.1 教材的實驗裝置及原理

大部分教材使用的裝置如圖1所示，利用稍過量的紅磷在密閉容器內(nèi)燃燒，幾乎消耗全部的氧氣，使集氣瓶內(nèi)氣體減少，當(dāng)溫度冷卻至室溫時，集氣瓶中的氣體壓強(qiáng)減?。淮蜷_止水夾，觀察到水倒流到集氣瓶中，集氣瓶中液面上升至約占瓶內(nèi)空氣體積的1/5?？梢缘贸鼋Y(jié)論：空氣的組成不是單一的，氧氣約占空氣體積的1/5 [2]。

1.2 教材實驗的不足

紅磷的著火點為240℃，如果在集氣瓶外用酒精燈進(jìn)行點燃，生成物五氧化二磷白煙會大量逸散到空氣中，這樣造成環(huán)境污染；裝置無法始終完全密閉，引起測量的系統(tǒng)誤差；紅磷燃燒過程中放熱，會使瓶內(nèi)氣體受熱膨脹，有可能使塞子彈出，造成實驗的偶然誤差；導(dǎo)管中的容積，實驗過程中通常只能忽略不計，這也會引起測量誤差。

2 其他設(shè)計與改進(jìn)評述

針對教材的不足，許多化學(xué)教師進(jìn)行了改進(jìn)，例如圖2、圖3[3]、圖4[4]。這些改進(jìn)雖然滿足了裝置始終密閉的要求，但仍然存在不足。

在裝置上：圖2和圖3反應(yīng)結(jié)束后玻璃管內(nèi)液面上升，高低液面產(chǎn)生壓強(qiáng)差，由于裝置本身的問題而無法去緩解調(diào)整，使實驗測量不準(zhǔn)確。圖4的裝置比較復(fù)雜，所選器材需要進(jìn)行再加工才能使用，操作時需要來回推動注射器以使反應(yīng)充分進(jìn)行，組裝和操作上都有困難，氣體體積還需要進(jìn)一步計算，現(xiàn)象不夠直觀，更使本實驗的難度提高了許多。

加熱方式上：圖2采用電熱絲通電加熱的方式，對電池功率要求較高，裝置顯得復(fù)雜。圖3采用酒精燈加熱鋁絲的方式，使加熱速度慢，成功率低。

藥品改進(jìn)上：圖4采用銅絲作用來消耗氧氣，反應(yīng)需要約4min，耗時比白磷長了許多；有些學(xué)者采用食品脫氧劑，主要成分為活性鐵粉[5]，反應(yīng)速率慢，需要時間更長，約30min，不適合用于課堂上演示實驗。

3 新設(shè)計的實驗

3.1 改進(jìn)實驗裝置

實驗裝置如圖5（簡單示意圖）、圖6（實物圖）所示，使用器材有：玻璃管、燃燒匙、50mL酸式滴定管、高功率激光筆、橡膠導(dǎo)管、鐵架臺等。

本套裝置所用器材都是中學(xué)化學(xué)所涉及的普通儀器，取用方便，且不需要進(jìn)行再改裝。裝置看起來簡潔大方，用橡膠導(dǎo)管連接玻璃管與滴定管。學(xué)生利用已有物理知識，能馬上明白教師的意圖。用高功率激光筆引燃白磷，達(dá)到裝置始終密閉的要求。酸式滴定管的使用，隨反應(yīng)進(jìn)行液面高度可作不斷調(diào)整，這些都使本次實驗的準(zhǔn)確性和精確性大大提高。其思路來自于把原裝置進(jìn)行“逆向”設(shè)計，把原裝置進(jìn)行倒置，讓橡膠導(dǎo)管成為U形連通裝置，這樣可以排除導(dǎo)管中容積造成的誤差。同時也因為整套裝置作為連通裝置，方便了測量實驗過程中各種容積。

3.2 改進(jìn)實驗步驟及數(shù)據(jù)處理

實驗步驟：

（1）如圖7所示，檢查裝置氣密性后，將稍過量的白磷放入燃燒匙，塞緊上端橡膠塞，調(diào)整玻璃管與酸式滴定管內(nèi)液面于同一水平線，讀取酸式滴定管內(nèi)視數(shù)V0。

（2）如圖8所示，用高功率激光筆點燃白磷，觀察玻璃管內(nèi)有大量白煙生成，液面先下降后再上升，待冷卻至室溫，調(diào)整玻璃管與酸式滴定管內(nèi)液面于同一水平線，讀取酸式滴定管內(nèi)視數(shù)V1。

（3）如圖9所示，待生成的五氧化二磷白煙被水充分吸收，白煙幾乎消散，打開上端橡膠塞，將玻璃管位置下移，酸式滴定管上移，至玻璃管中充滿水，立即再塞緊上端橡膠塞，調(diào)整酸式滴定管高度至與玻璃管內(nèi)液面于同一水平線，讀取酸式滴定管內(nèi)視數(shù)V2。

由表1中數(shù)據(jù)可知，利用本實驗測得空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)平均值為20.70%，約等于21%，與空氣中氧氣含量更為接近。

3.3 本實驗創(chuàng)新的優(yōu)點

3.3.1 用激光筆點燃白磷

如果激光筆點火操作熟練，室溫下5s內(nèi)白磷可燃燒；這一點火方法新奇，可以較好地引起學(xué)生興趣。實驗過程中，這種點火方式可保證裝置始終密閉，生成物五氧化二磷白煙不會逸散到空氣中造成污染；也使測量過程中盡量避免產(chǎn)生誤差，提升了實驗的準(zhǔn)確性。另外，激光筆的使用以及消除實驗過程中兩液面高低差與兩端氣體壓強(qiáng)差等內(nèi)容使實驗具有了理科綜合實驗的性質(zhì)，這一創(chuàng)新拓展了學(xué)生的視野，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生理科綜合實驗?zāi)芰6]。

3.3.2 實驗精確定量

將量氣管原理遷移應(yīng)用到本實驗中，起到多方面作用。當(dāng)可燃物燃燒時，容器內(nèi)壓強(qiáng)瞬間壓強(qiáng)增大，連通器起到緩沖作用，防止因壓強(qiáng)過大氣體沖開塞子，導(dǎo)致誤差；通過調(diào)整玻璃管與酸式滴定管的高度來緩解實驗結(jié)束后高低液面的壓強(qiáng)差，也避免了教材實驗中導(dǎo)管中體積產(chǎn)生的誤差，也可以使實驗測量更準(zhǔn)確。

讀取V2時能通過多次讀取來確定什么時候已完全冷卻至室溫，使測量更準(zhǔn)確。

酸式滴定管可讀取視數(shù)至小數(shù)點后兩位，提升了實驗的精確性。

上述關(guān)于改進(jìn)精確定量的方法讓學(xué)生充分感受到科學(xué)實驗的嚴(yán)密性，從而培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)精神[7]。

3.3.3 實驗效率高

白磷燃燒消耗氧氣后，液面上升，水沒過了燃燒匙，使整個容器內(nèi)的溫度迅速下降，大大縮短等待時間。通過一體化的設(shè)計，也減少了許多操作，提高了整體實驗的效率。

3.3.4 實驗細(xì)節(jié)鮮明

白磷點燃后整個實驗過程中，先觀察到白磷的燃燒及產(chǎn)生的白煙，然后能看到玻璃管內(nèi)原有的液面先下降再上升的過程，感受氣體熱脹冷縮的過程。再后來，還能觀察到白煙被水慢慢吸收，漸漸消散，體現(xiàn)了水的作用。

3.3.5 實驗裝置簡單

本實驗裝置取材容易，所用大部分器材在化學(xué)實驗室都可配備，且不需要進(jìn)行復(fù)雜的再加工。裝置一旦制成以后可以長期保存，反復(fù)使用。對于教師來說，實驗準(zhǔn)備過程較為簡便，操作可行性高。所用高功率激光筆電池可充電，可重復(fù)使用，使用過程中也不會生成其他物質(zhì)，減少實驗的耗材。

3.3.6 實驗操作簡便

每次實驗的V0不需要完全一致，所以初始液面的調(diào)整很容易。反應(yīng)結(jié)束后，儀器的清洗也簡單，只需要讓液體從玻璃管流出即可?？傊b置簡單，操作容易，現(xiàn)象明顯，不污染空氣，非常適合課堂演示，也可作為學(xué)生分組實驗。

參考文獻(xiàn)：

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[4]朱華英，劉懷樂.空氣里氧氣含量的測定實驗值得改進(jìn)[J].教學(xué)儀器與實驗，2005，（7）：25.

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