“测定空气中氧气的含量”实验的改进和反思

张洁+宋守娟

摘要：基于现行鲁教版九年级化学课本中“测定空气中氧气的含量”实验，对药品要求较高，实验条件较难控制，实验成功率低的问题，通过限定药品用量、更换药品、改进装置、兴趣实验开发的方法探索，改进了实验，提高了实验效率，并能启发学生敢于质疑，培养实验动手能力及探究精神。

关键词：空气中氧气含量测定；实验改进；初中化学实验

文章编号：1005–6629（2015）4–0050–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

现行鲁教版九年级化学课本中“测定空气中氧气的含量”实验，用图1装置和铜粉来进行实验。实验趣味性强，以此为载体引导学生设计和实施实验，进行误差分析，能有效训练学生的发散性思维能力，提高学生学习化学的兴趣。

可是在实验时，我们发现存在如下问题：

（1）实验室里久置的铜粉不是呈亮紫红色，而是呈褐色。

（2）用新制的铜粉做实验，发现加热时玻璃管里的铜粉表面生成一层黑色固体，停止加热，黑色固体又慢慢变成砖红色，且结成硬块粘附在玻璃管内壁上。

（3）实验所用时间长，完成一次实验约需15分钟。

（4）经过20多次实验，实验相对误差平均值大于25%，有的实验甚至不能成功。

基于上述几方面的问题，以期寻找更好的实验方法，获得更好的实验效果，我们进行如下的探索和改进。

1 通过限定药品用量化解弊端

1.1 探索与分析

查阅资料得知，铜粉质软，研磨加工困难，在潮湿空气中容易氧化变质成氧化铜，需要采用氮气保护、真空包装。我校实验室里的铜粉属于超细铜粉，因无法采用氮气保护或真空保存，久置后部分铜粉变质生成氧化铜，所以颜色呈褐色。

红色的含铜元素的固体物质有铜和氧化亚铜。向少量加热新制铜粉所得的砖红色固体中加入稀盐酸，发现有少量气泡放出，溶液变为浅黄色，有少许白色沉淀生成，试管底部有红色固体沉积。通常情况下铜不与稀盐酸反应，我们猜想红色固体中可能含有氧化亚铜。氧化亚铜与稀盐酸发生歧化反应，生成铜和氯化铜。用氢气还原砖红色固体，得到亮紫红色固体，也证明砖红色固体中含有氧化亚铜。

1.2 改进方法

经过分析和反思，根据密闭容器内氧气的体积计算所需铜粉的质量，实验时让铜粉稍过量（装置中封闭空气65mL，理论上需铜粉0.074g，实际实验时在玻璃管中放入铜粉0.2g）。加热铜粉，在加热过程中，不断缓慢推拉注射器的活塞，让铜粉与氧气充分反应。停止加热后，将注射器内的气体全部推出，让气体先储存到气球里，待装置冷却至室温时，再将气球里的气体缓慢全部挤出，使注射器的活塞后退，直到活塞稳定。如果使用的玻璃管和注射器容积较大，密闭容器内封闭空气较多，需铜粉质量较大时，应将铜粉薄薄地平铺在玻璃管中，以免铜粉堆积使热量聚集导致氧化铜分解，也避免反应不充分造成浪费。

1.3 改进效果

限制铜粉用量之后，生成的黑色固体没有再变成砖红色，经过10次实验测得相对误差平均值为17%，实验误差有所减小。但玻璃管与气球连接口容易漏气；对气球的要求也比较高，用弹性好张力大、厚薄适当的气球较好，如5cm长的圆形橡胶玩具气球；将气球里的气体往玻璃管中挤时需十分仔细；作为学生探究实验，实验误差仍然较大，且耗时长（约需10分钟）。

2 通过更换药品使实验现象更明显

2.1 实验探究

红磷在氧气中容易燃烧，反应充分，生成白烟，易散热，我们用红磷代替铜粉进行实验。根据氧气的体积计算所需红磷的质量（理论上需要0.0144g），实际实验时每次用0.3g。进行4组对比实验，测得氧气体积分数数据如下：

2.2 注意事项

用红磷替换铜粉进行实验，因为红磷易燃，作为学生探究实验有一定的危险性。需在教师的指导下进行，同时注意以下几点：

（1）认真检查装置气密性；

（2）准确测量玻璃管的体积，准确读出玻璃管和注射器内封闭空气的总体积；

（3）实验中不断缓慢推动注射器的活塞，不断轻轻挤压气球，使氧气充分参与反应；

（4）读数前，气球里的气体需全部挤压到玻璃管中，待装置冷却到室温再读数；

（5）由于红磷燃烧产生白烟放热，需硬质玻璃管；气球应选择弹性好张力大的，如大3号圆形橡胶玩具气球；

（6）红磷用量需根据氧气质量计算得出，不要过量太多，以免造成污染与浪费。红磷易燃，使用时一定注意不要撒到外面，用剩的红磷要统一回收。

2.3 改进效果

将铜粉换成红磷进行实验和现行教材的用铜粉实验相比较，实验误差小（4次实验相对误差平均值约为8.1%）；且只需稍稍加热玻璃管，红磷即可燃烧，生成白烟，反应迅速且充分，现象明显，容易操作；白烟分散附着于玻璃管内壁迅速散热，实验时间缩短（每次实验约需6分钟），实验的成功率比较高，教学中更有说服力和可行性。

3 通过改变装置提高实验成功率

为了避免气球易爆易漏气且不易将其中气体全部挤出的缺点，我们从学生的创新实验中寻找灵感，改用下图装置进行实验。

3.1 改进方法

在一支50mL的试管中装入约0.2g的新制铜粉，平铺均匀，用橡皮塞将试管密封（塞约占试管容积1/50），在橡皮塞上插两支注射器，注射器中密封约16mL空气，试管与注射器中共有65mL空气。将试管固定在铁架台上，并用酒精灯加热试管，同时缓慢交替推动注射器的活塞，直到铜粉颜色不再变化。停止加热，用吹风机使试管迅速冷却至室温，读数，注射器中剩余气体约3mL，从而得出结论，氧气约占空气体积的1/5。

3.2 注意事项

（1）检查图2装置的气密性，在试管和注射器内共预留空气65mL。

（2）预先根据氧气体积计算与其恰好完全反应时所需铜粉质量约为0.074g。为使氧气全部参加反应，在试管中平铺约0.2g新制的铜粉。

（3）给铜粉加热，并且不断缓慢地推动注射器的活塞（玻璃注射器效果更好），直到固体全部变成黑色，停止加热。

（4）待装置冷却到室温时读数。

（5）进行数据分析，注射器内减少的空气体积约为13mL，是空气体积（65mL）的1/5。

3.3 改进效果

该装置用另一支注射器代替气球，气密性好，交替推动注射器活塞容易进行气体交换，避免了气球挤压时易爆、易失去弹性的缺点，且注射器可以多次使用，不易损坏。本实验操作简单，实验现象明显，实验时间短（4分钟），实验误差小，实验成功率高，实验效果更好。

4 通过增加趣味性激发实验兴趣

在实际课堂教学中，为增加教学的趣味性，还可以从老师同学设计的趣味实验中寻找灵感，启发学生做一些趣味实验来测定氧气的体积分数。

4.1 实验方法

用图3装置和热帖（暖宝宝）中的药品进行实验，以期对学生有所启发。在注射器中封闭约2mL热帖中的固体，预留15mL空气，把注射器前端开口用橡皮塞塞住，不断轻轻晃动注射器，固体与注射器内的氧气充分反应，大约5分钟后，注射器内的气体减少约3mL，说明氧气约占空气体积的1/5。

4.2 实验效果

本实验取材于生活中的用品，在实验中仔细观察，可以明显看到注射器的活塞向下移动，气体体积逐渐减少，实验趣味性强。经10次实验，相对误差平均值小于5%，实验过程简单，易于操作，实验现象明显，便于学生在家自主完成实验。

综上所述，我们撰写本文的目的，就是要告诉学生解决一个问题可以有多种思路，一种思路又可以有多种方法。同时启发学生自主设计、进行实验，在不断的设计、实验、反思中完善方法，形成理念，进而培养学生的创新意识和探究精神。

参考文献：

[1]范广，张引莉，孙家娟.氧化铜与氧化亚铜稳定性的热力学讨论[J].广州化工，2012，40（10）：162～163.

[2]毕华林.义务教育教科书·化学（九年级）（全一册）[M].济南：山东教育出版社，2013：79.

[3]张升晖，杨春海.化学实验[M].北京：中国计量出版社，2007.