刍议空气中氧气含量测定实验的改进

吴泉慧

【摘 要】化学是一门以实验为基础的科学。对于初三学生来说，化学是比较抽象难懂的，而当今初三学生的学业负担又比较重，所以学习化学比较吃力。实验教学能够使抽象难懂的化学知识转换为形象易懂的形式，使学生能够在有限的时间内更好地理解和掌握化学知识，并激发学生学习化学的兴趣，调动学生学习化学的积极性，培养学生科学探究的能力，提升学生化学学科核心素养。本文主要是针对空气中氧气含量测定实验的改进进行全面的分析。

【关键词】初中化学;氧气含量测定;改进实验

1.改进空气中氧气含量测定实验的原因

初三学生在学习化学的时候经常出现不能充分理解和掌握相关化学知识的现象，尤其是无法全面理解和应用化学实验的相关原理以及各种重难点知识。实验教学能够有效激发学生学习化学的兴趣，调动学生学习化学的积极性，培养学生科学探究的能力，提升学生化学学科核心素养，还有助于提高化学教学效果。课本上是用燃烧红磷法来测定空气中氧气含量的：利用红磷燃烧将集气瓶内的氧气消耗，同时生成五氧化二磷固体而不产生其他气体，使瓶内的气压减小，在大气压的作用下，烧杯内的水沿导管进入集气瓶内，进入瓶内的水的体积等于消耗的氧气的体积。但是，在进行实验的过程中，有一些问题会对测定实验的过程和结果产生影响，无法有效保障空气中氧气含量测定实验的教学效果。

第一，在点燃红磷的时候，产生的五氧化二磷会逸散到空气中造成污染，并且将燃烧着的红磷伸入集气瓶内时，由于红磷燃烧放出大量热势必会导致集气瓶内的空气受热膨胀逸出，导致氧气含量测定结果精确度不足。

第二，在进行实验的时候，要求红磷过量才能消耗完集气瓶内的氧气，但是红磷用量过多，在燃烧匙内燃烧的时候可能会有火星溅落桌面，存在一定的安全隐患。

第三，在检查装置气密性的时候，如果是利用热水检查装置是否漏气，当看到水中导管口有气泡冒出就立即认为装置不漏气，这样欠妥。实际上，装置若有少量漏气，微热后导管口一样会看到气泡。而在进行实验的时候，红磷燃烧放出大量热使装置内气体受热迅速膨胀，气压迅速增大，或是反应结束装置冷却后内部气压由于消耗了氧气大大减小，像这样内外气压相差较大的时候，漏气现象会变得更加严重，又不容易被发现，很可能会导致测定实验出现较大的误差。

因此，为了提高学生的化学思维能力，同时也为了保障初中化学实验教学的效果，应当针对空气中氧气含量测定实验进行改进。

2.改进空气中氧气含量测定实验的方法

九年级化学沪教版中空气中氧气含量测定实验的教学，主要是通过实验教学让学生清楚知道空气中氧气的含量以及空气的成分并不单一，理解纯净物和混合物的概念知识，并且让学生掌握除去空气中的氧气从而测定空气中氧气含量的方法。因此，需要根据实际情况针对空气中氧气含量测定实验进行有效改进。首先应当给学生详细讲解教材上的基础知识和原理，再引导学生围绕教材实验进行分析和改进，给学生提供充足的小组讨论时间，培养学生的探究能力、合作能力和自主学习能力。

（1）引导学生提出改用凸透镜聚焦太阳光来点燃在密闭容器中的红磷的改进实验方案，这种方法能够避免点燃红磷时火星溅落桌面造成安全隐患，也能够避免生成的五氧化二磷逸散到空气中造成污染，还能够避免点燃后伸入集气瓶内时集气瓶内的空气受热膨胀逸出造成误差。但是这种方法会受到天气因素的影响，只有在太阳光强烈的天气下才能使用。接着引导学生尝试使用其他材料进行实验，并提出问题让学生进行思考和探究，如“能不能使用木炭、蜡烛代替红磷，为什么？”接着引导学生使用所学的化学知识及原理进行解释，学生会回答说：“不能，因为在点燃的条件下，木炭、蜡烛燃烧都会生成二氧化碳气体，使氧气的减少不准确”最后引导学生围绕问题以及结论进行验证，有助于拓展学生的化学思维能力和自主创新能力，形成化学是一门以实验为基础的科学的意识。

（2）给学生介绍使用水浴加热点燃密闭容器中的白磷来测定空气中氧气含量的方法，这种方法同样能够避免点燃时火星溅落桌面造成安全隐患，避免生成的五氧化二磷逸散到空气中造成污染以及避免点燃后伸入集气瓶内时集气瓶内的空气受热膨胀逸出造成误差。除此之外，因为白磷着火点较低，用热水即可引燃。但是這种方法的缺点就是白磷有剧毒并且容易自燃，在操作时要特别小心。

（3）给学生介绍使用铁生锈消耗氧气来测定空气中氧气含量的方法，使用铁粉、小试管、带导管的单孔橡皮塞、烧杯和水等实验仪器和用品。在小试管中放入足量铁粉，滴一滴食盐水，塞紧橡皮塞，将导管一端伸入盛有水的烧杯中，再将试管横过来，轻拍，使铁粉均匀地分散在小试管中。这种方法保持了上述两种方法的优点，除此之外，还有节约能源、节约药品的优点。但是缺点就是铁生锈较慢，实验耗时长，而且不易判断何时耗尽氧气。因此，这种方法适合准备好之后，放在教室里观察，让学生亲身体验科学实验探究的过程，培养学生的科学精神。

在各种习题和教学参考资料中也有一些改进装置，可以从中寻找灵感。比如锥形瓶和带注射器的橡皮塞的组合：在锥形瓶内底部放适量细沙，细沙上放足量的白磷，塞紧橡皮塞，将注射器插入橡皮塞，针头不露出，与试管不连通，读出注射器内空气体积。然后用热水浴引燃白磷，待反应停止并且装置冷却后，将注射器向下插入橡皮塞，使针头露出，与试管连通，注射器活塞会自动向下移动，待活塞稳定不动后，读出注射器内剩余空气的体积，两次读数的差就等于消耗氧气的体积。针对空气中氧气含量测定实验的改进方法有很多，而且随着不断改进，有的实验装置越来越复杂，有些改进只是为了出题目而创新，却没有考虑教学实用价值。因此，应当结合课本和学生的实际需求进行优化与改进。

3.改进空气中氧气含量测定实验的具体步骤

（1）对九年级化学沪教版课本上的实验进行深入的分析和思考，选择用白磷代替红磷来进行实验，并将带有燃烧匙的单孔橡皮塞换成普通的单孔橡皮塞，并且插入橡皮塞的导管在穿过橡皮塞后要能伸到接近集气瓶底，将盛水的烧杯换成盛红墨水的量筒。将集气瓶装满水，测定容积，并按容积五等分，在集气瓶外相应的位置套上一圈黑色橡皮筋，便于看清等分线。

（2）连接好仪器，检查装置的气密性。先将导管的一端伸入水中，再用热水微热集气瓶，若水中导管口有气泡冒出，并且装置冷却后在导管中上升一段稳定的水柱，说明装置不漏气。

（3）在量筒中倒入足量的红墨水，读出红墨水的体积。先用止水夹夹紧橡皮管，再将适量细沙平铺在集气瓶内，最后将足量的白磷放在细沙上，马上塞紧橡皮塞。

（4）用盛有热水的烧杯水浴加热集气瓶底，使白磷开始燃烧。

（5）一段时间后白磷熄灭，再过一段时间，待集气瓶冷却到室温后，先将导管一端伸入量筒内的红墨水中，再打开止水夹。量筒内的红墨水会沿着导管流入集气瓶内，调节集气瓶和量筒的相对高度，使两者内部的红墨水液面高度相平。观察集气瓶内红墨水上升到什么位置，读出量筒中剩余的水的体积。思考量筒中减少的红墨水的体积和进入集气瓶中的红墨水的体积，哪一个用来求氧气的含量更好。

4.改进空气中氧气含量测定实验的相关优点

（1）使用白磷代替红磷，白磷燃烧耗氧更彻底，会使测定结果更准确。并且白磷着火点低，可以用热水浴引燃，操作更简便。

（2）使用红墨水代替水，能够使水沿導管进入集气瓶中的过程现象更加明显，也能够更好地观察集气瓶内和量筒内的水位变化。防止有学生看不清水沿导管流入集气瓶。

（3）使用量筒代替烧杯盛放红墨水，量筒不仅能作为盛红墨水的容器，还能同时测定反应前后红墨水的体积，进而求出量筒中红墨水减少的体积，即消耗的氧气的体积。这样得到的氧气体积比测定进入集气瓶内的红墨水的体积更精确，因为后者没把留在导管中的红墨水算在内。

（4）检查装置气密性时，增加了观察冷却后导管中上升一段稳定水柱的现象，这样可以避免用热水微热时，就算有少许漏气也会冒出气泡，产生不漏气的假象。

（5）原实验中，过量的红磷在燃烧匙内燃烧时有火星溅落桌面造成安全隐患，生成的五氧化二磷逸散到空气中造成污染，伸入集气瓶内时瓶内的空气受热会膨胀逸出造成误差。而改进后的实验中，白磷是在密封的集气瓶中被点燃并燃烧直到熄灭，能够避免火星溅落桌面，也能够避免生成的五氧化二磷逸散到空气中，还能够避免点燃后伸入集气瓶内时瓶内的空气受热膨胀逸出。

（6）把原来刚露出橡皮塞的导管改为伸到接近集气瓶

底，是为了在红墨水倒吸进入集气瓶后调节集气瓶内和量筒内液面高度相平，利用连通器原理，确保装置内部气压和外界大气压相等，得到更准确的剩余气体体积。防止因导管中残留有水垢，使装置内部气压小于外界大气压，从而使得到的氧气体积不准确。

（7）与原实验相比，改进后的实验更加环保、精确、可靠、简便，现象也更加明显。而且改进后的实验仪器和用品也都是化学实验室必备的基本资源，不需要另外进行采购。

（8）初三学生学业负担较重，在有限的时间内利用简单易懂的实验教学引导学生全面掌握和学习相关化学知识是非常有必要的。通过对原实验和改进后实验的深入分析和对比，学生更容易理解和掌握空气中氧气含量测定实验的原理和方法，有助于提高学生化学学习能力，培养学生化学学科核心素养，还有助于提高化学教学效果。

【参考文献】

[1]江琳才.化学（九年级上册）[M].广州：广东教育出版社，2016.

[2]陶杰.制备与性质实验一体化装置的创新设计和制作[J].实验教学与仪器，2016（6）：49.

[3]农恒东.测定空气中氧气含量的两个常规试验与几个改进实验[J].中学教学参考，2010（41）：119-120.