空氣中氧氣含量測定實驗的改進與拓展

任佳+馬麗

摘 要： 空氣中氧氣含量測定實驗是一個重要的演示實驗，實驗操作的難點在于裝置的氣密性不好，紅磷燃燒有一定的危險性，實驗產生的五氧化二磷有毒。對于教材實驗中存在的問題通過實驗改進，利用加熱玻璃棒間接點燃白磷，同時使燃燒過程在密閉容器內發生，從而提高實驗的成功率和準確率。

關鍵詞： 含量測定 引發反應 實驗改進 鎂條燃燒

空氣中氧氣含量測定實驗是廣東教育出版社九年級化學教科書上冊第30頁的實驗[1]，這個實驗對學生認識空氣的組成起著重要的作用，是促進學生探究性學習，培養學生科學素養的較好的實驗。

一、實驗改進原因

教材中設計的實驗是利用紅磷燃燒消耗集氣瓶里的氧氣，使得瓶內壓強減小，在大氣壓的作用下燒杯內的水沿著導管進入集氣瓶里，通過集氣瓶內水面上升的體積判斷氧氣的含量。在此實驗操作中，往往會出現以下一些問題：實驗中要求紅磷過量以消耗容器內全部氧氣，而紅磷用量過多時，點燃后，火星會飛濺在實驗臺或其他地方，造成安全隱患。紅磷在敞開的體系中點燃，產生的五氧化二磷有毒且污染空氣。紅磷燃燒放熱，一伸進集氣瓶內，瓶口的空氣立即膨脹外溢，導致水面上升大于五分之一，沒有說服力。

二、對其他實驗改進方法的嘗試

經查閱資料發現許多一線教師都對此實驗進行了多種方法改進，根據教材上的實驗原理，對課本實驗再改進的方法主要有三種（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驗才有可能成功。

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氣體逸散。但實驗時要不斷給水浴加熱，才能使白磷燃燒，同時要避免集氣瓶過熱爆裂，此方法比較耗時且不易成功。

3.將銅絲穿過橡膠塞，下端接觸白磷，加熱銅絲的上端，利用銅絲良好的導熱性點燃白磷。此方法的優點是操作簡單、環保，保證裝置的氣密性。但具體實施時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，在穿過橡膠塞時容易彎曲，導致裝置漏氣。實驗時筆者發現即使是粗銅絲在加熱很長時間后都很難將試管里的白磷點著，改用玻璃鐘罩，當氧氣充足時，銅絲才可能引燃白磷，此實驗的成功率較低。

筆者在相關習題和教參中同樣發現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，另一端塞好活塞標記位置，加熱白磷，根據活塞的起始距離得出氧氣含量。在實際操作中并不易找到大小合適的活塞完成實驗。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，但是裝置略顯復雜，需要兩個鐵架臺固定此裝置。

在各種各樣的改進實驗中，筆者發現裝置的復雜程度逐步升高，有為創新而創新的趨勢，失去應有的教學使用價值，與創新的初衷背道而馳[2]?；诖?，筆者進行再改進，使實驗操作更簡單，實驗效果更佳。

三、實驗改進思路

反復實驗中，以上改進方法沒有達到良好的實驗效果，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二者發生反應”的啟發，想到可以利用玻璃棒“引發反應”這一作用將集氣瓶中的白磷點燃。

具體操作方法如下（圖3）：

1.將教材實驗中的燃燒匙換成玻璃棒，檢查好裝置的氣密性，并將瓶內氣體體積均分五等份。

2.然后在集氣瓶內裝入少量細沙，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.實驗裝置準備好后，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，燒杯里的水進入集氣瓶，最后水面在五分之一記號處。

四、改進后的優點

1.將紅磷更換為白磷，由于白磷的著火點更低，操作更為簡便節能。

2.改燃燒匙為玻璃棒，使實驗操作更容易控制，安全可靠。

3.實驗在密閉的容器中進行，避免了污染。

4.整個燃燒過程在密閉容器中進行，提高了實驗的準確性。

5.采用染色的水，對比效果更好。

6.改進后實驗不受環境影響，成功率100%。

7.改進方法較前三種方法節約時間。

8.此裝置所用的儀器都是實驗室配備的基本儀器，不需要另外采購。

五、實驗拓展思路與方法

實驗思路（圖4）：白磷的燃燒消耗了氧氣，瓶中剩余的主要是氮氣，利用鎂條在剩余的氮氣中燃燒，讓學生通過觀察認識到燃燒不一定有氧氣參與。

實驗方法：在上述實驗結束后，關閉止水夾，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，可觀察到鎂條在氮氣中燃燒。

此拓展實驗進一步引導學生體驗了科學探究的過程，啟發了學生的科學思維，提高了學生的科學素養。

參考文獻：

[1]江琳才.化學（九年級上冊）[M].廣州：廣東教育出版社，2016.

[2]陶杰.制備與性質實驗一體化裝置的創新設計和制作[J].實驗教學與儀器，2016（6）：49.