测定空气中氧气含量实验的创新设计

陆春华

现行的人教版《化学(九年级)》教材中测定空气中氧气含量实验[1](如图1所示)是九年级化学中一个非常经典的演示实验，此实验尽管操作简单，但也存在着以下不足之处。

图1 测定空气中氧气含量

(1)由于红磷是在集气瓶外引燃的，无论教师动作多么迅速，但仍有瓶内部分空气受热而事先逸出瓶外，最终导致实验结果不够精确[2]。

(2)在点燃红磷时，在瓶外产生的白烟污染了环境，尤其是对讲台周围的学生影响很大。

(3)有些教师为了减小实验误差，追求燃烧匙插入集气瓶中的速度，实验过程中还会出现红磷熄灭的现象[3]。

为了完善教材实验，使得实验更加精确、科学、绿色环保，笔者借鉴其他教师的一些想法和做法，先列举4种改进方法，并对其进行反思，旨在“抛砖引玉”。

一、新方案一

1.实验材料

一只大烧杯(500 mL)、暖宝宝铁粉、用矿泉水瓶底制作而成的约2.5 cm高的塑料盒、高锰酸钾、白磷、镊子、塑料胶管(用502胶水把一根塑料胶管粘在烧杯的内壁，内壁上的塑料胶管口与500 mL刻度保持水平，塑料胶管从烧杯的尖嘴部位伸出烧杯外约10 cm，便于调节水位时排出空气)、水槽、3根立柱(粘在水槽中)、立柱高度为烧杯倒置于立柱上时，烧杯中的500 mL刻度正好与水槽边缘保持水平或稍高。

2.实验过程

(1)在水槽中放入适量的水，加入少许高锰酸钾。

(2)用剪刀把矿泉水瓶底剪成塑料盒，放在水面上，在塑料盒里倒入约2 cm厚的暖宝宝铁粉(铺撒均匀)。

(3)用镊子夹取一小块白磷放在暖宝宝铁粉的中间部位(注意：当温度高于15 ℃时，不能用滤纸去吸白磷表面的水分，否则，白磷很容易发生自燃；当温度低于15 ℃时，一定要吸干白磷表面的水分，否则，白磷燃烧时产生的火焰颜色不一定能观察到)。

(4)保持塑料胶管外侧与外界空气相通，把烧杯倒置于水中，当水从烧杯中流进塑料胶管形成液封时，烧杯内的水位刚好处于500 mL刻度处(如图2所示)。

图2 调节水位

(5)把塑料胶管放进水里，把烧杯稍稍上提，把烧杯倒置于3根立柱上(如图3所示)。

图3 固定仪器

(6)白磷迅速燃烧，发出黄色火焰，产生的白烟在烧杯中不断翻滚，烧杯中的液面先立刻下降，后又慢慢上升。

(7)约6 min后，液面上升至400 mL刻度处不再改变，则说明氧气约占空气总体积的1/5。

此方案装置气密性好，现象十分明显，铁粉与白磷的组合氧化产生的热量迅速被烧杯的内壁和水吸收，冷却速度快，6～7 min便可完成实验，实验过程中产生的白烟直接被水吸收，不污染环境。

二、新方案二

1.实验材料

测气瓶、钢丝、电热丝、石棉布、导管、储液瓶、直尺、止水夹等。

2.实验过程

(1)如图4所示，用直尺把测气瓶Ⅰ的体积划分为五等份，用2根钢丝制成定位杆，在定位杆上分别安装两对能上下移动的螺帽，固定两根长度均为1 cm并联成圆形的螺旋状。

图4 测定空气中的氧气含量

电热丝(约15圈，每根300 W)为骨架，在距离测气瓶Ⅰ底部1/5～2/5的中上方，把石棉布放在电热丝的上面并做成凹型的燃烧匙。

(2)把导管Ⅱ的一端浸没在储液瓶Ⅲ底约1/4高的位置，导管Ⅱ的另一端插入测气瓶Ⅰ(导管Ⅱ口离瓶底1/5～2/5的中下方)，并在储液瓶Ⅲ中装满一瓶5%的硫酸铜溶液。

(3)打开止水夹，连接12 V的电源，如果电热丝红热且在储液瓶Ⅲ里的导管口冒出气泡，切断电源，电热丝慢慢冷却，在储液瓶Ⅲ一侧的导管Ⅱ中形成一段水柱，且液面不下降，则说明装置气密性良好。

(4)把足量的红磷放入石棉燃烧匙中，稍稍压紧。

(5)连接12 V的电源，电热丝迅速红热，刚开始只有少量的白烟从石棉燃烧匙里缓缓上升并迅速散开，在测气瓶Ⅰ顶端受阻后，又沿着测气瓶Ⅰ内壁逐渐沉至瓶底，形成像雨伞状的“白烟伞”，再过一会儿，“白烟伞”慢慢变得浓厚，最后整个测气瓶Ⅰ中充满了白烟。

(6)当测气瓶Ⅰ中上部有少量黄烟(生成的黄磷)出现时，关闭电源。

(7)当测气瓶Ⅰ恢复至室温时，打开止水夹，测气瓶Ⅰ中吸入约1/5体积的有色液体且颜色慢慢变浅。

(8)把倒吸入测气瓶Ⅰ中的液体沿测气瓶Ⅰ内壁四周润洗，当液体颜色快要褪去时，打开瓶塞，发现瓶口没有白烟和白雾，即说明测气瓶Ⅰ中的污染物被彻底消除于污染源(即测气瓶Ⅰ内)。

整个实验过程现象十分明显，实验中使用到的电热丝电阻小，12 V的电压可以使电阻丝迅速红热，十分安全，实验在密闭系统中完成，避免了环境污染，保证了实验结果的精确性，此外，实验中采用的“定位杆”“可移动的电热石棉燃烧匙”是实验成功的有力保证，实验过程中，教师只需按一下电钮，反应结束后，打开止水夹，操作完成，大大缩短了实验的时间。

三、新方案三

1.实验材料

2支50 mL的注射器、带铁夹的铁架台、铜粉、大试管(或具支试管)、橡皮塞、乳胶管、量筒、酒精灯等。

2.实验过程

(1)按图5、图6所示装置连接仪器(先不要装药品)，其中图5通过乳胶管装上注射器1(乳胶管长度以恰好把具支试管和注射器口部连接在一起为准)，排除注射器1中的空气，注射器2中保留有一定量的空气，然后都插进橡皮塞中(如图6所示)，缓缓推动注射器2中的活塞一小段距离后把手松开，如果注射器1的活塞可以缓缓后退到相同的刻度，即说明装置气密性良好。

图5 测定空气中氧气含量(以具支试管为反应容器)

图6 测定空气中氧气含量(以试管为反应容器)

(2)在图5中的具支试管(图6中的大试管)中装入足量的铜粉，使其均匀地铺撒在试管的底部，塞紧橡皮塞，推动注射器2中的活塞，并留有一定量的气体(大于反应前空气总体积的1/5)，记录数据：Va=40 mL，插入橡皮塞中，根据酒精灯火焰的高度，把试管固定在铁架台上。

(3)对铜粉部位进行加热，并反复来回推拉两支注射器的活塞，使铜粉与氧气充分反应。

(4)熄灭酒精灯，待试管冷却至室温，把注射器1中气体全部推进试管中，等注射器2中的活塞不再发生改变时，记录图5中的注射器2剩余气体体积Vb=5.8 mL(图6中注射器2剩余气体体积Vb=5.8 mL)。

(5)实验完成后，洗涤仪器，把具支试管或大试管装满水，并塞紧橡皮塞，再把试管中的水全部倒入量筒中，量出图5中具支试管在塞上橡皮塞的情况下的体积Vc=123.9 mL(图6中大试管塞上橡皮塞的情况下体积Vc=124.0 mL)。

3.实验数据处理

(1)图5中氧气的体积计算

理论值：

V=(Va+Vc)×21%=(40 mL+123.9 mL)×21%=34.4 mL

实验测得：

V=Va-Vb=40 mL-5.8 mL=34.2 mL

所以空气里氧气的体积分数为：

34.2mL/163.9 mL×100%=20.87%

(2)图6中氧气的体积计算

理论值：

V=(Va+Vc)×21%=(40 mL +124.0 mL)×21%=34.4 mL

实验测得：

V=Va-Vb=40 mL-5.8 mL=34.2 mL

所以空气里氧气的体积分数为：

34.2mL/164.0 mL×100%=20.85%

该实验装置始终都处于密闭状态，确保了实验结果的可靠性，通过推拉注射器活塞和对酒精灯的加热，确保了铁粉和氧气充分反应，直至氧气基本耗尽，此外，利用注射器的刻度代替了“水”的体积，确保了实验更为精确、严谨，同时也增强了实验的趣味性、可操作性和可观察性，而且实验过程中所用药品的量很少，实验的连贯性强，增强了实验的可对比性，热水可以吸收产生的白烟，避免了环境污染。

四、新方案四

1.实验材料

刻度尺、玻璃打孔器、大试管、燃烧匙、大烧杯、铁架台、铁夹、橡皮塞、白磷、沙子、铜丝、铁钳、凡士林等[7]。

2.实验过程

(1)取一大试管，用玻璃打孔器在其底部打一小孔，按图7所示装置连接仪器，并检查装置的气密性。

图7 测定空气中氧气含量

(2)从装置上拔出橡皮塞，向燃烧匙中加入少量的沙子，用铁钳把铜丝拧成螺旋状，然后把铜丝的下端放在酒精灯火焰上加热至发红，再向燃烧匙内的沙子上面放一小块白磷(足量)，立即塞紧橡皮塞。

(3)上移试管至试管内液面和烧杯中液面保持齐平，并迅速用刻度尺量出消耗掉的空气长度(由于试管中盛有气体的中间部位上下内径相同，所以消耗掉的空气的量可以用试管中气体的长度来表示)，记为X(cm)。

(4)按下铜丝，使其与白磷接触，白磷燃烧产生大量的白烟，试管中的液面先迅速下降少许，后又缓缓上升，烧杯中的液面下降。

(5)等白烟完全消失，试管内恢复至室温时，下移试管至试管中的液面与烧杯中液面齐平，用刻度尺测出气体的量，记为Y(cm)。

(6)氧气的含量=(X-Y)/X ×100%。

2.实验数据记录

实验测得的相关数据见表1。

表1 实验数据

五、结语

此方案结合了初中物理学中金属的热导原理，是一个非常好的理科综合实验，通过实验，开拓了学生的视野，培养了学生对知识的迁移运用能力，燃烧匙铁柄上涂有的凡士林便于下插燃烧匙时减小摩擦力，整个实验操作简便，现象明显，避免了环境污染，实验可以进行多次，取平均值，结果相对更为精确。