邱聯(lián)妹

摘要：利用氧氣傳感器進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，通過測定排水法和向上排空氣法收集氧氣純度差異以及氧氣收集操作規(guī)范性對(duì)收集純度影響，幫助學(xué)生利用直觀數(shù)據(jù)理解抽象的分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；氧氣收集；氧氣純度

文章編號(hào)：1008-0546（2017）08-0088-03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.08.031

一、實(shí)驗(yàn)背景

氧氣的制取是初中化學(xué)課程中一個(gè)基礎(chǔ)而又極其重要的教學(xué)點(diǎn)。根據(jù)氧氣的使用需求可以選擇排水法或向上排空氣法進(jìn)行收集，這兩種收集方法收集到的氧氣在純度上有何區(qū)別？另外，無論是排水法還是向上排空氣法在操作規(guī)范上都有一定的要求，以確保盡可能收集到純度更高的氧氣，那么操作不規(guī)范又會(huì)對(duì)收集氧氣的純度造成怎樣的影響？在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師采取語言描述的方式向?qū)W生解釋以上問題，然而再豐富生動(dòng)的語言也難以讓學(xué)生獲得真實(shí)的感悟，借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器可以解決這個(gè)問題，學(xué)生通過觀測實(shí)驗(yàn)過程中氧氣濃度的實(shí)時(shí)數(shù)值，獲得直觀體驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

1. 利用氧氣傳感器探頭的監(jiān)測功能，通過數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)將氧氣濃度的測定數(shù)據(jù)傳達(dá)到手持多功能分析儀，在屏幕上直接生成數(shù)據(jù)曲線，展示容器內(nèi)氧氣濃度的變化過程或最終數(shù)值。

2. 通過真實(shí)數(shù)據(jù)比對(duì)分析，直觀說明收集方法差異或操作規(guī)范性差異對(duì)氧氣收集純度的影響。

3. 利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)上從定性思維向定量思維轉(zhuǎn)化，體驗(yàn)科技進(jìn)步的產(chǎn)物數(shù)字化儀器在化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中發(fā)揮的重要作用。

三、實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器、手持多功能分析儀、高錳酸鉀、水、鐵架臺(tái)、試管、導(dǎo)管、橡皮塞、集氣瓶、毛玻璃片、酒精燈、水槽。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)探究經(jīng)驗(yàn)儲(chǔ)備：

用數(shù)據(jù)線連接氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器、手持多功能分析儀，將氧氣傳感器探頭伸入集氣瓶中，用向上排空氣法向集氣瓶中通入氧氣，瓶口放置帶火星的木條。將顯示屏上氧氣濃度增大的變化曲線與帶火星木條復(fù)燃的現(xiàn)象結(jié)合在一起，幫助學(xué)生形成氧氣測定曲線與氧氣濃度關(guān)系的直接經(jīng)驗(yàn)感知（見圖1、圖2）。

實(shí)驗(yàn)探究一：不同收集方法收集氧氣純度的差異

[步驟1]用加熱高錳酸鉀分解制氧氣，按照排水法規(guī)范操作要求，待集氣瓶口向外冒出第一個(gè)大氣泡后立即停止收集。重復(fù)實(shí)驗(yàn)，收集3瓶氧氣（如圖3所示）。將氧氣傳感器探頭伸入集氣瓶中測定氧氣的含量（如圖4所示），數(shù)據(jù)記錄于表1中。

[步驟2] 用加熱高錳酸鉀分解制氧氣，按照向上排空氣法規(guī)范操作要求，以能使放置在集氣瓶口帶火星木條復(fù)燃為氧氣集滿的標(biāo)準(zhǔn)，重復(fù)收集3瓶氧氣（如圖5所示）。將氧氣傳感器探頭伸入集氣瓶中測定氧氣的含量（如圖6所示），數(shù)據(jù)記錄于表1中。

[步驟3] 重復(fù)步驟2，將氧氣集滿標(biāo)準(zhǔn)改為以能使放置在集氣瓶口帶火星木條復(fù)燃后再收集40s，測定數(shù)據(jù)記錄于表1中。

[數(shù)據(jù)記錄]

[數(shù)據(jù)分析]

1. 實(shí)驗(yàn)前將氧氣傳感器探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)值為21%，實(shí)驗(yàn)中使用同一氧氣傳感器，系統(tǒng)誤差相同，數(shù)據(jù)比較可信。

2. 對(duì)比分析表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

（1） 用加熱高錳酸鉀分解制取氧氣，按照課堂常規(guī)演示實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行，氧氣未經(jīng)過除雜干燥，排水法收集氧氣純度明顯大于向上排空氣法（木條復(fù)燃停止收集）收集到氧氣的純度（差值10%）。

（2） 用加熱高錳酸鉀分解制取氧氣，氧氣未經(jīng)過除雜干燥，均用向上排空氣法收集，而驗(yàn)滿標(biāo)準(zhǔn)不同，木條復(fù)燃后再收集40秒獲得氧氣純度明顯大于木條復(fù)燃立即停止收集的氧氣純度（差值8.7%），且?guī)缀踅咏门潘ㄊ占窖鯕獾募兌取?/p>

[解釋評(píng)價(jià)]

1. 氧氣密度與液態(tài)水密度相差較大，雖因水蒸氣的存在，不可能收集到100%氧氣，但相較于排空氣法（常規(guī)驗(yàn)滿標(biāo)準(zhǔn)），還是排水法收集到氧氣純度較高。故排水法收集氣體純度高的優(yōu)勢理論成立。

2. 氧氣的密度與空氣相差不大以及收集時(shí)氣體對(duì)流因素造成向上排空氣法收集氣體純度不高，但若將驗(yàn)滿標(biāo)準(zhǔn)改為木條復(fù)燃后再收集40秒，收集到氧氣純度明顯增大，甚至可能達(dá)到排水法收集的純度。故若實(shí)驗(yàn)需要純度高又干燥的氧氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如鐵絲燃燒實(shí)驗(yàn)，可選擇向上排空氣并延長收集時(shí)間的方法收集氧氣。

實(shí)驗(yàn)探究二：收集規(guī)范性差異對(duì)收集氧氣的純度的影響

[步驟1]加熱高錳酸鉀用排水法收集氧氣，按照排水法規(guī)范操作，待導(dǎo)管口冒出連續(xù)均勻氣泡后，將導(dǎo)管伸入集氣瓶口，重復(fù)收集3瓶氧氣，用氧氣傳感器測定氧氣的濃度（本研究中利用實(shí)驗(yàn)探究一里面步驟1的數(shù)據(jù)），記錄數(shù)據(jù)于表2中。

[步驟2]加熱高錳酸鉀用排水法收集氧氣，未按照排水法規(guī)范操作，導(dǎo)管口一冒出氣泡立即收集。重復(fù)收集3瓶氧氣，用氧氣傳感器測定氧氣的濃度。數(shù)據(jù)記錄于表2中。

[數(shù)據(jù)記錄]

[數(shù)據(jù)分析]

1. 考慮裝置中原存空氣體積固定，集氣瓶容積的大小對(duì)測定結(jié)果有一定的影響。該實(shí)驗(yàn)中使用容積為100mL的集氣瓶收集氧氣進(jìn)行測定，系統(tǒng)誤差相同，數(shù)據(jù)可以進(jìn)行比較。

2. 均用排水法進(jìn)行收集，導(dǎo)管口一冒出氣泡后立即收集到氧氣的純度明顯小于導(dǎo)管口冒出連續(xù)均勻氣泡后收集的氧氣純度（差值約26%）。

[解釋評(píng)價(jià)]

實(shí)驗(yàn)時(shí)通過觀察到導(dǎo)管口冒出連續(xù)均勻氣泡，說明此時(shí)排出氧氣較純凈的理論成立。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)應(yīng)注意收集時(shí)機(jī)的把握，進(jìn)行規(guī)范操作。

[步驟3]用向上排空氣法收集氧氣，按照規(guī)范操作要求，將導(dǎo)管伸近集氣瓶底部，以能使放置在集氣瓶口帶火星木條復(fù)燃為氧氣集滿的標(biāo)準(zhǔn)，重復(fù)收集3瓶氧氣。將氧氣傳感器探頭伸入集氣瓶中測定氧氣的含量（可利用實(shí)驗(yàn)探究一里面步驟2的數(shù)據(jù)），記錄數(shù)據(jù)于表中3。

[步驟4]用向上排空氣法收集氧氣，未按照規(guī)范操作要求，將導(dǎo)管伸入集氣瓶中部（如圖7所示），以能使放置在集氣瓶口帶火星木條復(fù)燃為氧氣集滿的標(biāo)準(zhǔn)，重復(fù)收集3瓶氧氣。將氧氣傳感器探頭伸入集氣瓶中測定氧氣的含量，記錄數(shù)據(jù)于表3中。

[數(shù)據(jù)記錄]

[數(shù)據(jù)分析]

1. 用向上排空氣法收集氧氣，將導(dǎo)管伸入集氣瓶中部，當(dāng)放置在集氣瓶口帶火星木條復(fù)燃為氧氣集滿的標(biāo)準(zhǔn)，用氧氣傳感器測定氧氣純度時(shí)若空氣與瓶中空氣與氧氣未均勻混合，會(huì)影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，故該實(shí)驗(yàn)應(yīng)在氣體收集完成后將集氣瓶上下顛倒數(shù)次后再測氧氣純度。

2. 均用向上排空氣法收集氧氣，將導(dǎo)管伸近集氣瓶底部收集到氧氣的純度明顯大于導(dǎo)管伸至瓶中收集到氧氣純度（差值22.7%）。

[解釋評(píng)價(jià)]

排空氣法收集氣體時(shí)，將導(dǎo)管盡可能伸近瓶底，以便將空氣排盡的操作能較大程度上提高收集氣體的純度。

五、體會(huì)心得

近年來，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備已然成為初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)開展定量研究的新手段并日益普及到基層教學(xué)中。利用真實(shí)的數(shù)據(jù)為化學(xué)學(xué)習(xí)的抽象思考提供具體證據(jù)和有力說明，有利于幫助學(xué)生形成量變引起質(zhì)變的唯物主義辯證觀。在初中化學(xué)啟蒙教學(xué)過程中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備未必只能在復(fù)雜實(shí)驗(yàn)才得以使用，更不必為了使用而設(shè)計(jì)超出教學(xué)大綱范圍，脫離學(xué)生知識(shí)水平和接受能力的實(shí)驗(yàn)。參照義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，以教科書中常規(guī)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，合理地楔入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)才更符合教學(xué)實(shí)際，更能服務(wù)于課堂，真正成為常態(tài)教學(xué)的組成部分。

參考文獻(xiàn)

[1] 張志輝 初中實(shí)驗(yàn)室收集到100%的氧氣[J].化學(xué)教與學(xué)，2013（12）：92

[2] 王祖浩.義務(wù)教育教科書化學(xué)教師教學(xué)指導(dǎo)書（上冊(cè)）[M].上海：上海教育出版社，2013