对“空气中氧气体积分数的测定”实验分析与改进

林旺金 张惠娇

摘要： 评析几个不同版本教材中的空气中氧气体积分数测定实验，指出该实验在课堂演示操作中存在的问题。设计新的实验方案，对实验方法、裝置及药品进行改进。用白磷代替红磷，把水改成滴有酚酞的氢氧化钠溶液，用Y型试管和注射器代替原装置，使实验测定过程在密闭系统中进行，提高了实验的成功率、安全性和实用性。

关键词： 空气中氧气体积分数的测定;白磷;Y型试管;实验装置改进

文章编号： 10056629（2018）3006203 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 教材中的实验设计比较分析

“空气中氧气体积分数的测定”是初中化学教材中一个重要的定量演示实验。不同版本的初中化学教材，阐述的“空气中氧气体积分数的测定”实验方法基本相同，都是利用红磷燃烧消耗集气瓶中的氧气，使集气瓶内的压强减小，从而使烧杯中的水沿着导管进入集气瓶，利用进水的体积测算出氧气约占空气总体积的1/5。但不同版本的教材存在一定的差异，实验装置分别如图1～3所示。人教版教材是将集气瓶内预先加入少量水，将液面上方的空间五等分 [1];粤教版教材要求用记号将集气瓶容积五等分，根据图示同样在实验前加入少量的水 [2];沪教版教材直接将集气瓶容积五等分，不要求预先加水 [3]。通过比较，笔者认为： 以人教版的实验设计为例，实验前在集气瓶内预先加入少量水可以防止热的生成物溅落炸裂瓶底，吸收生成的五氧化二磷和燃烧放出的热量，帮助装置冷却;实验将预先加水后的液面上方空间五等分，使最终测定结果更加直观准确。然而不同版本教材关于“空气中氧气体积分数的测定”的实验，在实际课堂教学演示操作中都存在一些问题，需要有针对性地进行分析，并对实验的方法、装置及药品进行改进。

图1 人教版教材中“测定空气中氧气含量”的实验装置

图2 粤教版教材中“测定空气中氧气含量”的实验装置

图3 沪教版教材中“测定空气中氧气含量”的实验装置

2 教材实验的问题

按图1，往175mL的集气瓶中装满水，并塞紧橡胶塞，然后打开橡胶塞，将集气瓶内的水倒入500mL的量筒中，量得除橡胶塞外，集气瓶内的容积为150mL，接着往集气瓶内注入30mL水，标出液面高度，继而分四次每次量取24mL水陆续注入集气瓶中，并标出每次加水后的液面高度。检查装置的气密性，给水平导管注满水，夹紧止水夹，在容器外点燃红磷后伸入175mL的集气瓶中，盖紧瓶塞，集气瓶内产生大量白烟，火焰很快熄灭，红磷燃烧停止。待装置冷却至室温，白烟消失，燃烧匙中还有红磷剩余。打开止水夹，进水量远小于空气总体积的1/5，甚至无法进水，实验效果很不理想，同时实验过程中还暴露出以下几点问题：

（1） 红磷燃烧放出大量的热，容易将橡胶塞弹出。

（2） 水平导管内要先装满水，操作难度大。

（3） 容器较大，消耗药品较多，容易造成药品浪费。

（4） 实验时必须先在容器外点燃红磷再伸入集气瓶内，该过程中红磷燃烧生成的有毒白烟（P 2O 5）扩散到空气中，污染环境，有害师生健康。

（5） 对集气瓶刻度处理操作复杂，容积五等分很难精确把握，装有燃烧着的红磷的燃烧匙在伸入集气瓶时，部分空气受热膨胀从集气瓶口逸出，容易产生实验误差。

（6） 容器内外两个液面高度之差造成的外界气压与容器内的气压之差对气体体积测定产生一定的影响。

（7） 装置气密性要求很高，而且红磷燃烧很难完全消耗装置内的氧气，实验很难成功。

（8） 装置冷却至室温时间长，且水为无色，能见度低，影响课堂教学效果。

按图2和图3的操作都有以上类似问题。

3 “空气中氧气体积分数的测定”实验改进

3.1 实验用品

Y型试管、打火机、酒精灯、镊子、50mL注射器、铁夹、铁架台、100mL量筒;白磷、酚酞溶液、氢氧化钠溶液

3.2 实验装置

图4 实验改进装置

3.3 实验步骤

（1） 检查装置的气密性。

（2） 测量Y型试管（除橡胶塞）的容积，记为amL。

（3） 用注射器吸取一定量加有酚酞的氢氧化钠溶液，并将针头塞进单孔橡胶塞中，读取注射器活塞停留的刻度处bmL。

（4） 用镊子取足量的白磷用滤纸吸干表面的水，放入Y型试管的一端，并迅速塞紧带有注射器的橡胶塞。

（5） 将Y型试管固定在铁架台上，用酒精灯对装有白磷的一端加热。随着白磷的燃烧，注射器内的氢氧化钠溶液慢慢流入Y型试管的另一端。

（6） 等白磷燃烧和缓慢氧化停止，旋转Y型试管，使氢氧化钠溶液进入装有白磷的一端，加速冷却，待试管温度降到室温，观察注射器活塞停留的刻度处cmL。

（7） 根据（b-c）mL/amL乘以100%求算空气中氧气的体积分数。

3.4 注意事项

（1） 测量Y型试管（除橡胶塞外）的容积时，注满水塞紧橡胶塞后，应标出橡胶塞在Y型试管中最深处的记号，再将水倒入100mL的量筒内，以便实验时确定橡胶塞的深度减少实验误差。

（2） 用注射器吸取溶液时，应保证注射器中的溶液没有气泡，可以采用少量多次的吸取方法;也可以快速吸取后将针头朝上，把气泡赶到针孔下端，推动活塞，将气体赶尽，静置一段时间。

（3） 注射器连接Y型试管，与桌面所成夹角不得大于45°，防止注射器内溶液因重力作用自然流下。

（4） 白磷燃烧前，已准备好的无气泡的氢氧化钠溶液的体积必须大于10mL，以确保可以完全填充被消耗的氧气体积。

（5） 加热前，应保证装有白磷的Y型试管一端管口略倾斜向下，防止冷凝水倒流或实验过程中注射器内溶液进入时，使热的Y型试管一端骤冷炸裂。

（6） 所取的白磷必须足量，根据实验室Y型试管中氧气的体积为10mL，进行计算所需白磷的用量大概为0.011g，意味着实验过程中所取的白磷必须要大于0.011g，确保把装置内氧气完全消耗。

3.5 实验改进后的效果

实验前测得Y型试管（除橡胶塞）的容积为50mL，白磷燃烧后放出热量，产生大量的白烟，注射器内的红色溶液进入Y型试管中冷热交换，2分钟左右待装置冷却至室温时，直接从注射器中读取进水量非常接近10mL，氧气的体积分数为10mL/50mL=1/5。实验环保、便捷、精確、耗时短、现象明显。

3.6 实验改进后的优点

（1） 装置简单，操作简便，无需给水平管注水，也不需要打开橡胶塞。

（2） 注射器始终倾斜向上，装置密闭性好。

（3） 实验始终在密闭装置中进行，减少环境污染，减小实验误差。

（4） 实验改用Y型试管，药品需要量少，节约药品，水进入Y型试管中冷热交换合理，避免Y型试管受热骤冷而破裂。

（5） 将红磷改为白磷，可以在短时间内较完全地消耗装置中的氧气，提高了实验的精确度。

（6） 将水改成滴有酚酞的氢氧化钠溶液，可以吸收白磷燃烧可能产生的气体杂质如CO 2、 SO 2等，排除可能出现的气体干扰。滴有酚酞的氢氧化钠红色溶液使现象明显直观，用注射器代替烧杯，可见度高，可以直接观察读取进水量，同时可以更好更快地吸收燃烧产生的有毒产物五氧化二磷，提高了课堂效率和安全性。

4 实验改进后的反思

对“空气中氧气体积分数的测定”实验的改进，是在一次次的失败中得到提高和完善的。虽然改进后，增强了实验效果，提高了课堂实效，但是所选的改进药品白磷有剧毒，着火点低，如果环境温度过高，很容易发生自燃;燃烧的产物五氧化二磷和氢氧化钠溶液反应后的产物依然有毒，氢氧化钠溶液有腐蚀性，实验结束后药品处理仍存在一定的困难，因此只适合教师做课堂演示实验，不利于学生自主探究。所以笔者认为教师可以鼓励学生在理解实验原理的基础上，从生活出发，感悟生活，从生活中取材，自主设计实验，在不断的设计、实验、反思中完善方法，提高学生的思维能力、动手能力和创新意识。比如： 可以利用一些装置和热帖（暖宝宝）中的药品进行实验 [4]，操作简单，误差较小，药品安全容易处理，适合学生动手实验，把生活和课堂巧妙地融合在一起，趣味性强，有利于提高学生的科学素养。

参考文献：

[1]王晶，郑长龙主编.义务教育教科书·化学[M].北京： 人民教育出版社， 2012： 101.

[2]江琳才主编.义务教育教科书·化学[M].北京： 科学出版社，广州： 广东教育出版社， 2012： 72.

[3]王祖浩，王磊主编.义务教育教科书·化学[M].上海： 上海教育出版社， 2012： 71.

[4]张洁，宋守娟.“测定空气中氧气的含量”实验的改进和反思[J].化学教学，2015，（4）： 50～53.