燃磷法测定氧气含量实验的新改进

王发应+季勇福+周凤顶+李太锐

摘要：磷及其燃烧产物和水化物都有较大毒性，而且最终都可能被排放到环境中会造成污染。为解决“测定空气中氧气含量”实验的污染问题，我们经过实验探究，最终根据氢氧化亚铁易被空气中氧气氧化的性质，利用过量氢氧化亚铁吸收一定体积空气中氧气的方法对该实验进行改进获得了成功。此改进实验具有装置简化、操作简单、无污染等优点。

关键词：燃磷法；测定空气中氧气含量；绿色化学；氢氧化亚铁；实验改进

文章编号：1005–6629（2016）12–0053–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

測定空气中氧气含量是初中化学的第一个定量实验，对于培养中学生严谨的科学态度、规范的操作方法、环境保护的意识等方面具有重要的意义和作用。但目前对该实验的研究中，主要是从两角度进行改进：一是对装置进行改进，将教材中的敞口装置改为密闭装置，而所选用的耗氧物质仍然是红磷；二是用白磷代替红磷，目的是降低引燃的难度。但这两种改进方法都是治标不治本，并没有从根本上解决实验中的污染问题。

为了从源头上解决“测定空气中氧气含量”实验的污染问题，我们受氢氧化亚铁易被氧化的性质启发，利用过量氢氧化亚铁吸收一定体积空气中氧气的方法对该实验进行改进，结果获得了成功。

1 燃磷法测定氧气含量实验的思考

1.1 对磷及其燃烧产物毒性的探究

经资料查阅了解到除红磷本身无毒外，其燃烧产物及其水化物、白磷本身以及燃烧产物及其水化物均有毒，甚至为剧毒，都是有危害的药品，使用中都要防止与人体接触。但目前在实际使用中，特别是实验教学中产生的烟尘却又是不可避免的，无论采取何种方式处理产物，它们最终都可能被排放到环境中。因此，无论是用红磷还是白磷，无论对实验装置如何改进，只要我们使用燃磷法来测定空气中氧气含量，环境都会被污染，师生的健康就会遭受伤害。但燃磷法测定空气中氧气含量的实验方法却用了几十年，非常令人费解。

1.2 对实验教学中污染问题的思考

有的专家在谈到教学中的污染问题时，说实验教学中产生的污染物对于整个环境来说是微不足道的，这类实验并没有改进的必要。而且还说“如果不让学生体验一下，他们如何认识到这些物质是污染物？”，这不知是何逻辑！

也许，某一次教学中产生的污染，对于整个环境来说可能是微不足道的，对师生健康的伤害也不是那么明显。然而，我们改进或优化这类实验的目的，正是为了通过解决教学中的污染问题，使学生树立保护环境的意识，增强他们的社会责任感，这与我国“培养德、智、体等方面全面发展的社会主义事业建设者和接班人”的教育目的[1]是完全相吻合的。

在各种杂志上曾发表很多对测定空气中氧气含量实验的研究论文[2～9]，有的是对实验装置的改进，将教材中的敞口装置改为密闭装置，有的是将红磷改为白磷，最后在对改进后实验的优点的描述中，他们一致认为，这样的改进“完全避免了环境污染，符合绿色化学的理念”，其实并不尽然。

1.3“绿色化学”的涵义

“绿色化学”由美国化学会（ACS）提出，目前得到世界广泛的响应。其核心是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染；反应物的原子全部转化为期望的最终产物[10]。

这句话的关键词应该是“从源头上减少和消除工业生产对环境的污染”，达到“零排放”。但是，无论是教材实验还是研究者们的改进实验，实验结束后的废弃物是怎么处理的？倒入废液罐（缸）？然后呢？最终还是倒入下水道，进入环境。

如果要完全避免环境污染，符合绿色化学的理念，那就不应该使用有毒或者本身无毒但在实验过程中产生有毒有害的物质，或者即使产生了有毒有害的物质，但经过简单的处理后，能够转化为无毒无害的物质，排放后对环境无害，或者最终的产物能够进行回收循环使用，从而达到零排放。

那么，在中学阶段，有没有符合这一要求的物质和实验方法？

2 对燃磷法测定氧气含量实验的改进

高中化学“氢氧化亚铁制备实验”中的实验现象为：新制硫酸亚铁与氢氧化钠反应产生的白色氢氧化亚铁沉淀在空气中氧气的作用下迅速变为灰绿色，最后变为红褐色的氢氧化铁，整个变化过程大约只需三分钟，这还是在不振荡的情况下，如果进行振荡，所需时间应该更短。假设在一密闭容器中利用这一反应来消耗一定体积空气中的氧气，然后根据反应前后气体体积的变化情况，应该能够计算出空气中氧气的含量。于是设计了如下实验来对我们的猜想进行验证。

2.1 实验原理

首先，在课前用过量的铁粉和饱和硫酸铁溶液反应制备硫酸亚铁溶液备用：

需要消耗饱和硫酸亚铁溶液的体积计算如下。

从表1中可知，20℃时饱和硫酸亚铁溶液浓度为：

（152÷278）×48g≈26.3g

26.3/（26.3+100）×100%≈20.8%

虽然查不到饱和硫酸亚铁溶液的密度，但我们可以进行估算，100g水的体积为100mL，假设配制好溶液后溶液总体积不变，则饱和硫酸亚铁溶液的密度为：ρ=m/V=（100+26.3）÷100=1.263 g·mL-1，由密度公式m=ρV、溶质质量分数的计算公式a%= m质/m液×100%和溶质质量分数与物质的量浓度的换算公式c=1000ρ·a%/M得：

V=m质/（ρ·a%）=0.057g÷（1.263 g·mL-1×20.8%）≈0.22mL

c=1000ρ·a%/M=1000×1.263×20.8%÷278≈0.944 mol·L-1

亦即，消耗10mL空气中的氧气大约需要饱和硫酸亚铁溶液0.22mL，但由于以上数据为估算值，实际使用量可能要多一些，但出入应该不大。为了充分消耗氧气，同时为了方便实验操作和数据处理，我们取3mL 1 mol·L-1硫酸亚铁溶液和7mL 1 mol·L-1氢氧化钠溶液进行实验。

2.4 实验方法

（1）取20mL玻璃注射器，先抽取3mL 1 mol·L-1硫酸亚铁溶液，再抽取7mL 1 mol·L-1氢氧化钠溶液，用拔掉不锈钢针管并封闭了针孔的针头帽封闭注射器出口，充分振荡使两种药品充分反应，生成白色氢氧化亚铁，观察发现反应后体积几乎没有变化，仍为10mL。然后拔掉针头帽抽入10mL空气，此时注射器活塞所在位置的显示数恰好为20mL，再次封闭注射器出口。

（2）充分振荡约3min，使氢氧化亚铁和装置内空气中的氧气充分反应。将装置横置（玻璃注射器活塞与筒壁间的摩擦系数极小，对压力感应灵敏，能自动调节装置内外的压力保持一致，横置可以避免注射器活塞重力对气体体积的影响），读取注射器活塞所在位置的显示数（由于实验中所用两种药品远远超过消耗氧气的所需量，所以实验中反应产生的沉淀即使放置几天最终也不能全部变为灰绿色，而注射器活塞的显示数也基本没有变化，说明装置中的氧气已完全被吸收）。

（3）实验结束后，将混合物注入烧杯中，静置分层后，将上层清液倒入指定容器中，然后向烧杯中加入稀硫酸使沉淀溶解，得到硫酸铁和硫酸亚铁混合溶液，再加入过量铁粉，又得到硫酸亚铁溶液，从而使药品得以循环使用，避免了环境污染。

2.5 实验结果

表2是我們连续三天的实验结果。

2.6 实验结论

用改进方法测定得贵州省金沙县城关地区空气中的氧气含量约为20%。

2.7 实验改进后的优点

实验装置简单，只需要一支注射器就能完成；实验操作简单，只需简单地抽取溶液、空气，然后振荡、静置、计数、统计即可完成实验；节省能源，不需加热；实验对环境不产生污染，所有器材均可重复使用，几乎无废弃物排放；测量精确度较高。

参考文献：

[1][9]刘瑜.空气中氧气含量测定实验的改进[J].化学教育，2015，（11）：64～65.

[2]朱华英，刘怀乐.对空气中氧气含量测定实验的改进[J].化学教学，2005，（1～2）：21.

[3]许小忠，陈和祥.测定空气中氧气含量的实验探究与反思[J].化学教学，2008，（4）：12～14.

[4]尚广斗.“空气中氧气含量的测定”实验的研究与改进[J].化学教学，2009，（11）：13～15.

[5]李德前.“测定空气中氧气体积分数”实验新装置[J].化学教学，2011，（7）：49～50.

[6]秦翔.空气中氧气含量测定实验的改进[J].中小学实验与装备，2014，（4）：35～36.

[7]杨胜武.“空气中氧气含量测定”实验改进[J].中学化学教学参考，2015，（1）：54.

[8]徐丽，冷广庆.“空气中氧气含量测定实验”的改进[J].中学化学，2015，（9）：29.

[10] 360百科.绿色化学. http：//baike.so.com/doc/ 54149535653095.html.

[11]硫酸亚铁溶解度. http：//www.cl39.com/news/1511. shtml.