测定空气里氧气含量实验的探究与创新

郭涛 孙汝中 王臣珠

摘要： 针对人教版教材中“测定空气里氧气含量”的实验，分析实验误差产生的原因及不足，提出对这个实验的一些新认识，认为燃烧法的实验原理适合应用于课堂演示。改进了课堂演示实验，同时设计并开展了学生探究实验。新设计的实验可有效降低实验误差，有利于培养学生的学科素养。

关键词： 空气里氧气含量; 实验装置改进; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2019）12-0055-03            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

人民教育出版社义务教育教科书《化学》九年级上册第二单元课题“空气”中安排了“测定空气里氧气含量”的实验（如图1所示），这个实验是初中化学第一个半定量实验。在实验过程中，学生认识了空气的存在和空气的成分，有利于正确建构混合物和纯净物的概念[1]。在测定空气中氧气含量的同时，学生初步建立了定量研究思维，这对于培养严谨的学习态度，掌握科学的探究方法具有重要的启蒙意义。

图1  人教版“测定空气里氧气含量”的实验装置

我们调研了南阳市中心城区化学实验装备较好的8所初中，发现这个实验成功率大约50%左右。不少教师视这个实验为“鸡肋”： 做了，实验效果欠佳;不做，授课缺少说服力。为此，我们对这个实验进行了探究和改进，与同仁分享交流。

1  “测定空气里氧气含量”实验的误差分析及不足

（1） 集气瓶瓶口与瓶体大小不一致，很难做到将水面上方空间均匀地5等分，引起测量的系统误差。

（2） 实验装置的导管比较长，其中也存有空气，这部分空气的体积和集气瓶体积的1/5相比，是不能忽略的。而实验不计这部分体积，引起测量的系统误差。

（3） 集气瓶横截面积比较大，水面上升高度的细微差异就会引起气体体积的较大变化，引起实验误差。

（4） 燃烧的红磷放入集气瓶的过程中，不断放出热量，会使集气瓶中部分气体受热逸出，造成实验结果偏大。

（5） 红磷剧烈燃烧，使集气瓶内气体压强突然增大，有可能使塞子松动，导致装置漏气，造成实验结果偏小;甚至会导致塞子弹出，使实验失败。

（6） 实验操作缺少标准，不易把握。实验过程中，取多少红磷？在燃烧匙中燃烧多少时间？什么时候把燃烧的红磷伸入集气瓶中？这些操作都是依靠经验进行的，缺少客观的操作标准，不同的人操作，会产生不同的实验结果。

（7） 红磷在集气瓶外点燃，会有P2O5白烟逸散到空气中，污染课堂环境。

（8） 实验耗时比较长，长时间的实验等待容易使学生失去实验兴趣，出现教学“真空”。

2  “測定空气里氧气含量”实验的认识

对近十年来关于该实验的期刊文献55篇作了实证研究。发现不少实验设计过于理论化，忽略了基础教育实际，甚至为“改进”而改进，把实验孤立在教材之外，弱化了实验的教学功能。

实验是化学思维的重要基础[2]，只有扎根教材、研究教材、领会教材，才有可能开展符合学情的实验教学活动。

从实验在教材中的位置来看，这一实验设计的目的有两个： 一是让学生认识到氧气约占空气体积的1/5。本实验是在为后面混合物和纯净物的学习做铺垫，而不是要求非常精确地测定空气里氧气的含量！基于此，我们认为不宜将精密的电子感应装置引入此实验，这些装置固然可以得到较精确的实验数据，但却明显削弱了基础教育阶段化学实验的探究功能。教学要立足于基础教育实际，领会教材意图，设计符合初中生的知识结构和认知结构的实验。

二是在实验教学过程中，培养学生初步建立定量研究意识，学会收集、分析实验证据，初步建立解决复杂化学问题的思维框架。基于此，我们要在实验中，尽可能校正误差，培养学生的定量思维，提升学生的探究能力，发展学生的核心素养，为学生终身发展奠定基础。

基于以上认识，我们认为这个演示实验的改进应该立足于燃烧法。对于中学生来说，燃烧法的实验原理是最容易理解的，且反应迅速，现象明显，适合课堂演示。虽然这种方法在实际操作中还有一些不尽如人意的地方，但通过广大教师同仁不懈的实验探索和优化，并适当开展一些探究性教学活动，这些问题终会得到圆满解决。

3  “测定空气里氧气含量”实验的创新

我们在实验的环保性、数据的精确性和演示的简洁性等方面进行了探讨和优化，收到良好的实验效果。

[实验用品]

体积已五等分的硬质玻璃管（15mm×250mm）、橡胶塞、单孔橡胶塞、玻璃导管（长3cm）、可放入硬质玻璃管内的铁制容器、磁铁、激光笔（250mW）、气球、棉线、水槽、吸水纸;白磷、水

[实验装置图]

实验装置见图2。

图2  “燃烧白磷测定空气中氧气含量”

的实验装置

[实验步骤]

（1） 检验装置气密性。

（2） 将玻璃导管的一端伸入单孔橡胶塞（玻璃导管刚露出橡胶塞即可），另一端套上气球并用棉线固定。

（3） 将套有气球的橡胶塞安装到硬质玻璃管的左端。

（4） 把载有白磷的铁制容器（小铁盒）放入硬质玻璃管内（白磷取绿豆大小，并用吸水纸吸干其表面水分）。

（5） 先把气球内的气体排尽，再在硬质玻璃管的右端安装另一橡胶塞。

（6） 用激光笔（250mW）引燃白磷。并用磁铁吸引小铁盒在硬质玻璃管内缓慢移动，使装置内的氧气充分消耗。

（7） 待白磷不再燃烧，冷却至室温后，将硬质玻璃管右端竖直伸入盛有水的水槽中，在水下取出橡胶塞。

（8） 调整硬质玻璃管高度使水槽内液面与管内液面相平，待液面稳定后，塞上橡胶塞。

（9） 把装置移出水面，将硬质玻璃管竖直（气球端朝上），观察液面高度。

（10） 整理实验台。回收实验用水。

[实验现象]

液面高度达到1/5刻度处。

4  实验改进的优点

（1） 实验装置简单，操作简便。

（2） 实验现象直观、明显，可视性强。

（3） 实验在密闭容器内进行，比较环保。

（4） 将红磷更换为白磷，大大降低了实验物质的着火点，一方面白磷易被点燃，另一方面能使硬质玻璃管中氧气消耗更完全。

（5） 用小铁盒承载白磷，在磁铁作用下在管内移动，这有利于充分消耗试管中的氧气，且方便实验后仪器的清洗。

（6） 用激光笔引燃白磷，清洁、高效。

（7） 将白磷放在密闭的玻璃管内引燃，避免了气体受热膨胀、逸出引起的误差。

（8） 实验用导管很短，可避免导管过长引起的实验误差。

（9） 实验排除了水的压强对气体体积产生的影响。

（10） 实验装置体积小，节约药品，符合环保理念。

（11） 实验操作标准化，成功率高。

5  “测定空气里氧气含量”实验的学生探究

在教学中，我们开展了基于任务驱动的实验拓展活动，引导学生运用金属氧化法自主设计探究实验，鼓励学生动手实验，体验探究的乐趣，增强实验技能，提升学科素养。下面是我们研发的一个学生实验方案。

[实验用品]

两个同型号（350mL）的干燥的空矿泉水瓶、水槽、500mL量筒;还原性铁粉（淘宝有售，又称活性铁粉）

[实验步骤]

（1） 先把一个空矿泉水瓶装满水，然后打开瓶盖，将水全部倒入量筒中，测量水的体积（VmL）。

（2） 向另一个空矿泉水瓶中加入足量还原性铁粉（加少许氯化钠溶液），拧紧瓶塞。上下反复振荡，观察现象。

现象： 矿泉水瓶逐渐变扁，瓶身略微发热。

（3） 待冷却至室温后，把变扁的矿泉水瓶口（朝下）浸入盛有水的水槽中。在水下打开瓶塞。观察现象。

现象： 铁粉散落到水槽中，矿泉水瓶中有水进入，矿泉水瓶体恢复原状。

（4） 在水下拧紧瓶塞，取出矿泉水瓶。然后打开瓶盖，将水全部倒入量筒中，测量水的体积（MmL），这是消耗掉氧气的体积。

（5） 实验结束，整理实验用品。

（6） 计算空气里氧气的体积分数： VO2%=（MmL/VmL）×100%。

实验设计小巧，操作性强，很好地控制了实验误差，并且通过数据测定了空气里氧气的体积分数，完成了由半定量分析到定量测定的突破，增强了学生的定量研究意识。

本實验探究立足于教材，设计符合初中生的知识结构和认知特点，易于学生接受。课堂演示实验和学生探究实验的设计，均有效控制了误差，可以比较准确地测定空气中氧气的含量，获得了比较满意的探究结果。我们深刻体会到，基于任务驱动的实验探究活动有利于培养学生的创新意识，有利于引导学生逐步掌握科学探究方法，不断提升学生的化学学科核心素养[3]。

参考文献：

[1]王锋. 化学教学中基于多维视角促进学生认识发展[J]. 化学教育， 2012， （6）： 30～32.

[2]李岚. 中学化学中的实验与思维[J]. 化学教学， 2019， （1）： 8～10.

[3]朱鹏飞. 研究化学学科核心素养需要关注的几对关系[J]. 化学教学， 2018， （6）： 12～18.