“测定空气中氧气含量”实验的创新设计

摘 要：现行教材各版本对“空气中氧气体积分数的测定”这一实验，几乎采用相同的设计方式，该装置不乏许多优点，但也有不少缺陷未能避免，如：实验操作要求高、产生误差原因多等。在总结前人及教参的基础上，通过多次实践检验，设计了一种更科学合理的装置（见正文）。设计中，创造性地使用了量筒和注射器，在实验过程中可以快速方便地读取数据；又用蓝色CuSO4溶液替代水，不仅使实验现象更加明显，同時还能化解剩余白磷的毒性，可谓一举两得。从分析教材实验入手，参照分析其他教学参考资料的改进安排，并结合教学实践，总结出具有一定创新的实验设计。

关键词：实验改进；注射器；量筒；误差小；环保

一、教材中的实验分析

“空气中氧气体积分数的测定”这一实验，在其他教材中也有呈现，呈现在浙教版八年级科学下册中，是分析空气中氧气的一个重要实验。通过总结分析可以发现：基本采用如图1装置进行实验。

实验通过利用与氧气燃烧的物质，并且这一物质不会产生其他气体，如白磷、红磷等，利用气体体积的减少，密封体系内外压强的变化测量空气中氧气的体积。

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在测定氧气含量时存在着一个假设，即集气瓶长度正比于集气瓶体积，集气瓶内气柱高度的变化完全是氧气消耗导致（集气瓶中所有氧气被消耗），而且空气是理想混合气体，温度和压强不发生变化。该实验作为粗略测量空气中氧气含量，大致了解氧气在空气中所占比例有它合理之处，装置设备简单，现象也较为明显，是个实用的实验。

若撇开教材其他内容，单就“空气中氧气体积分数的测定”来说此实验还可作些改进，图1的实验存在着以下缺点。

1.做空气中氧气含量的测定实验时，烧杯中的水为什么会流入集气瓶，且流入水的体积等于气体减小的体积，这一问题学生在实验时，理解不清楚，无法达到通过实验掌握课本相关知识的目的。

2.在实验的密封装置中，我们可以看到里面有少量的水，但是实验中烧杯中的水又会倒流到密封系统中，这二者水的作用，学生不是很明确，水混合后也更加不容易分辨。

3.在红磷或者白磷的燃烧中存在问题，首先燃烧需要加热时间过长，操作不是很便捷，其次，在燃烧时燃烧物会产生大量的热量，在相对密封的空间中，短时间瓶内的压力过大，导致瓶塞被冲开，有一定的安全隐患。

4.燃烧结束后，将集气瓶冷却到室温，需经历较长时间，不能高效利用宝贵的课堂时间。

5.由于集气瓶口径较大、没有刻度，不能定量地反映出水进入的多少，实验不够精确。

另外，该设计还受到实验误差过大的困扰：（1）空气的体积测量不准确。在实验中燃烧物后再放入集气瓶中，这个过程，由于需要打开瓶口，会有一部分空气溢出，导师实际空气体积不准确。当冷却到室温，打开止水夹后，进入集气瓶内的水可能会大于■体积。（2）实验中乳胶管和玻璃导管中有水残留，不能全部进入集气瓶，会产生误差。（3）我们从装置可以看到，集气瓶导管口与烧杯中的导管口的高低是不一样的，这样的结果也会影响水收集到集气瓶中。（4）空气中的氧气浓度影响燃烧物燃烧度。实验中会出现燃烧物无法燃尽，水流倒流不多的现象，致使实验失败。做该实验时，会发现水面停在不足■处，原因就在于此。

二、其他一些改进实验案例

正是因为有如上所述的缺陷，教参和其他一些资料介绍了对该实验改进的多种方法。

1.在《实验教学与仪器》刊登了改进后的实验装置。优势是设备简单，容易操作，且采取了双通管的方式，但是同样也存在不少弊端，如同样需要点燃后伸入红磷，容易导致空气外溢，影响测量。

2.在化学教学中也有对该实验改进的报道，改进形式主要是直接将“集气瓶中的空气固定死，加热采取加热玻璃棒一段，引燃红磷的形式”。实践中，先“把集气瓶底的少量水压到烧杯中，稍后，集气瓶中的氧气被磷燃烧消耗，烧杯中的水又压入集气瓶中。”理论上是科学的，实际上是可行的。但引燃白磷的操作难度很大，首先，加热棒与燃烧物的接触是个很大的问题，加热过长，时间也就会过长，温度过高的话，接触燃烧物操作上就不容易了；加热短，燃烧物也无法起到引燃的作用。还有，这一设计还是无法突破需要学生先理解大气压，再认识发生水倒吸现象的难点。

中考试题也用到一些改进的实验，可见该实验是比较典型的实验，受到大家广泛的关注。

例：课外活动小组的同学，用图2所示的装置粗略测定空气中氧气的体积分数。该装置的气密性良好，活塞可左右滑动，实验前活塞处在刻度10cm处。已知白磷在空气中燃烧的最低温度为40℃。

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回答下列问题：

（1）可观察到玻璃管内开始发生的现象是：白磷着火燃烧，活塞先向_______移动（填“左”或“右”，下同），后向_____移动。

（2）实验结束，恢复到常温后，活塞应停在约_____（填整数）cm处。

三、创新实验设计

既然该实验是一个重要典型的实验，就值得深入的研究，笔者觉得：测定空气中氧气含量的方法有多种，但其原理只有一种，这就是利用足量的某物质与密闭容器里空气中的氧气充分反应，使容器内压强减小产生的现象，来确定空气中氧气的含量。具体实验时要注意以下几个方面：

（1）可用来反应的物质必须是易与氧气反应且没有气体生成的物质（如红磷），木炭、硫不能用作测定氧气含量的反应物。

（2）若所用液体不是水，而是碱溶液（如NaOH溶液），用碳、硫作反应物在理论上是可行的，因为生成的气体CO2、SO2能与NaOH溶液反应而被吸收，但误差会比较大。

（3）所用来反应的物质必须足量或过量。

（4）容器的气密性必须良好。

（5）反应掉氧气后，应该使容器内的温度恢复到开始反应前时的状态，才能观察现象测量数据。

笔者基于以上的思考在前人研究的基础上，通过不断摸索查阅资料反复实践，创新设计了一种既易于学生理解实验原理，又较为精确的实验方法。

1.实验器材

集气瓶（125mL）一只，塞上橡皮塞实际容积约为150mL；3孔橡皮塞一个；50mL注射器一个（携带针头）；玻璃導管2根（用橡胶管相连）；止水夹、燃烧匙各一个和100mL的量筒一只。实验药品：足量的白磷和70℃的CuSO4溶液90mL。

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2.实验过程

（1）按如图3所示装置，连接仪器。

（2）检查装置的气密性：松开止水夹，轻拉注射器活塞至35mL处（也可在任意刻度处），如果量筒中的溶液也恰好减少35mL，则说明装置密封性良好。此时，教师可引导学生对“注射器中空气的变化量和量筒中溶液的减少量两者相等”这一关系进行分析。经此环节，学生能认识到：在同等条件下，集气瓶里减少多少体积的空气，那么就有等体积的液体进入集气瓶，从而能使学生明晰该实验的物理原理。进而，学生能推算出：量筒中减少的35mL CuSO4溶液中，约有5mL残留在导管中（导管的横截面积×导管在液面以上部分的长度），实际进入集气瓶内的CuSO4溶液体积为35mL-5mL=30mL（见图4），瓶内空气的体积是150mL-30mL=120ml。

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（3）夹紧止水夹（防止导管中液体流出），拔出橡皮塞，并将注射器的活塞推回到“0”刻度处，迅速在燃烧匙上装上足量白磷（只需吸收白磷表面大部分水即可，以防自燃），然后立即把橡皮塞塞入集气瓶，务必塞紧。

（4）集气瓶内CuSO4溶液的温度较高，高于白磷的着火点，白磷马上就被引燃，产生浓厚的白烟，并放出大量的热。因此，该密闭系统内气压急剧增大，注射器活塞会向上移动（可缓冲骤然增大的气压，防止冲塞现象的发生）。反应结束，瓶内温度降低，气压减小，活塞又会向下移动至“0”刻度处。在冷却过程中，教师应抓住该有利时机，引导学生分析本实验的化学原理。

（5）集气瓶冷却到燃烧前的温度，约60℃时（可用粗略感知的方法：用手触摸集气瓶和量筒的玻璃外壁），松开止水夹，能观察到：量筒中的CuSO4溶液倒吸入集气瓶内。最终可发现：量筒中所剩液体的体积为31mL，则第二次流入集气瓶内的CuSO4溶液是：55mL-31mL=24mL（如图5所示）。由此可说明：集气瓶内减少的气体体积为24mL，即瓶内原有120mL空气中，O2所占体积有24mL。这就不难算出，空气中O2所占体积分数是：24mL÷120mL×100%=20%。

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注意：松开止水夹时，温度不能冷却到室温，集气瓶内的气体状态必须与燃烧前保持一致，不然，会使流入瓶内的液体偏多，计算出的氧气体积分数将大于20%。

（6）轻轻振荡集气瓶，以使瓶内的五氧化二磷完全被水吸收，反应剩余的白磷也被硫酸铜溶液吸收。（相关的化学方程式如下：P2O5+3H2O=2H3PO4，11P4+60CuSO4+96H2O=20Cu3P+24H3PO4+60H2SO4）

（7）实验结束，从右到左依次拆开装置，清洗、整理实验仪器。

3.改进意义

（1）改进了空气的溢出问题和燃烧物中烟雾的污染。这样既能减少原来实验装置溢出空气的误差，也不污染环境，具有环保意识，防止空气污染。

（2）注射器和量筒搭配巧妙。这一改进更加简化了，实验将清晰显示空气里O2的体积。

同时，注射器和量筒都有精密的刻度，能直接读出精确的数值，提高了实验的准确性。另外，注射器能在白磷燃烧时缓冲集气瓶内气压的骤然增大，从而能防止冲塞现象的发生，起到了较好的缓冲作用。

（3）在引燃燃烧物（白磷）方面设计巧妙。实验不仅方便操作，还环保，让学生更加容易观察。

总之，通过创新性地开展实验设计，在实验装置方面做了一些有益的改进，让实验更加精密，操作性更强；同时学生在实验中也培养了实验探索、创新精神，发展了学生思维。

参考文献：

[1]王冰.测定空气中氧气含量实验的创新设计[J].中国教育技术装备，2014（19）：119-120.

[2]周爱婷.“空气中氧气含量的测定”实验的创新设计[J].实验教学与仪器，2014，31（1）：34-35.

作者简介：杨彬，男，1982年9月出生，大学本科学历，现就职单位：浙江省仙居县官路镇初中。