用注射器作反应器与量具，精确测定空气中氧气含量——“测定空气中氧气含量”实验的简化改进

张成生

（金华市金东区教育体育局教育中心 浙江 金华 321015）

“测定空气中氧气含量”这一实验除了学科知识内容学习和实验技能训练之外，还蕴含丰富的科学思想和方法，比如进行反应原理的分析、材料的选择，以及模型建构、误差原因分析以及如何改进减小误差等科学方法内容，对提高学生的科学核心素养有着重要作用。是初中化学不可或缺的经典实验。

浙教版《科学》的实验装置如图1，利用红磷燃烧除氧形成负压，以水替代原瓶内氧气进行测定。先在集气瓶内加入少量水，再把剩余部分分成5等份，用止水夹夹紧胶皮管，点燃燃烧匙内的红磷，立即伸入瓶中并塞紧瓶塞，待火焰熄灭并冷却后，打开止水夹，观察现象，得出结论。

看似简单的实验，在方案中却存在“先天”不足，实际操作很难达到预期效果，甚至经常出现不成功的情况，进而影响实验的开展和教学。该实验主要不足：①红磷燃烧时耗氧不完全，氧气残留高，导致实验结果偏小。②教材实验采用瓶外点燃法，操作过程会导致瓶内气体被加热膨胀溢出而导致实验结果偏大，且红磷瓶外点燃有污染，存在安全隐患。③在集气瓶上进行体积等分划线比较粗糙，会导致较大的实验误差。④剩余气体需要较长时间冷却才能得到较满意的实验结果，导致实验时间偏长影响课堂教学。

针对上述问题，已有较多同行对此实验进行过研究和改进。陆丽萍（2022年）［1］对各种改进方法进行了研究，认为改进该实验的角度主要在点燃方式、耗氧物质、度量工具等三个角度进行分析，由此进行了针对性改进。除此之外，唐祥梅（2022年）［2］、金隆等人（2021年）［3］将耗氧药品的点燃方式由瓶外改成内置点燃，以此减小操作中的误差。许丽丹等人（2020年）［4］从耗氧药品角度进行综述，分析了红磷等耗氧药品使用的优劣，对药品的选用有一定的帮助；林旺金与张惠娇两人（2018年）［5］采用白磷加氢氧化钠溶液吸收的方式增加了准确度；程星灿（2022年）［6］用铁粉吸氧剂；颜石珍与夏骏等人（2022年）［7］用暖宝宝粉末进行脱氧均对实验进行了改进。从以上改进可以发现，暖宝宝等铁系脱氧剂氧气残留量低于0.1%，脱氧效果好，准确度高，且同时解决点燃问题，是一种不错的选择。但与红磷相比，铁系脱氧剂缺少明显的反应现象，并由于平时使用中，铁系脱氧剂给人有脱氧缓慢的不足。其原因是在脱氧剂使用过程中，与氧气接触面少，且用量不多（一般为预估所脱氧气质量的3 倍），在实验中，可以采用增大接触面积的方式来缩短反应时间。并且在小体积中使用，有放热改变温度但也能很快恢复。

而对于度量工具的改进，除了陆丽萍老师的综述之外，还有阮芬芬（2018年）［8］的量筒和气压传感器，计量上更加精确，但器材不够普及且过程复杂；而金隆、颜石珍、林旺金等人则均用注射器来改进度量工具，但也只是利用注射器带有刻度的外筒作为量具，而不是利用注射活塞的移动直接测量。不管装置如何改进，都是一个一定体积用于反应的封闭系统再加一个转换成能显示体积的装置组合。注射器是自带刻度气密性良好的封闭系统，并且可直接通过能移动的活塞读出体积变化装置。用一段输液塑料导管连接两个注射器，既是封闭系统且能精确显示体积变化。在使用铁系脱氧剂时，注射器也可以作为反应容器，同时是一个精确的度量工具。

基于以上思考可知，用暖宝宝粉末等铁系脱氧剂作为除氧物质，以注射器作为反应容器与度量工具，是一个可以适用于测量空气中氧气体积分数的最佳组合。具体的改进与操作如下：

一、实验器材

注射器（50 mL）两支（可分为甲和乙）、1.5 cm 左右塑料输液导管一截、暖宝宝粉末若干。

二、实验操作

1.剪开暖宝宝包装，拉开注射器（甲）活塞后倒入约5 mL（过量）的暖宝宝粉末，用活塞压实，如图2所示。将另一注射器（乙）接上输液导管，活塞拉到50 mL刻度处待用，导管中可塞入一团棉花，起到阻挡粉末作用。

为节约课堂教学时间，以上两项操作均可在课前准备。如果是课前准备，注射器（甲）可在压实粉末后用橡皮泥密封注射器口以防止粉末氧化失效。

2.将注射器（乙）活塞拉到刻度为50 mL 处，然后用输液管接好两个注射器，如图3。拉动注射器（甲）或推动注射器（乙）的活塞，使注射器（乙）中空气均进入（甲）中为止。

3.摇晃注射器1 分钟左右，使空气与脱氧剂充分接触反应，加快氧气消耗。然后将注射器（甲）的活塞压回原处，观察注射器（乙）中活塞的位置，先后两次活塞位置差即为所消耗氧气的体积，并依此计算氧气的体积分数。

多次实验表明，用此方法得到的氧气体积分数基本能达到20%，甚至可达到21%，非常接近真实数值。

三、改进特色

用两个注射器连接形成一个密封空间，自由移动的活塞可显化并测量体积变化；其中一个注射器装药品作为反应容器，反应前后均将药品压实，可不计体积；另一个注射器作量具，自带的刻度和可移动的活塞使测得数据更精准；而铁系脱氧剂不需要燃烧，正好解决注射器不耐高温的不足，且脱氧较完全。

1.装置简单，操作简便。不需要进行复杂连接和再加工，只用一截输液管将两个注射器进行连接就行。可让学生动手操作，分组准备过程简便，有利于开展学生实验。

2.效果明显，结果准确。暖宝宝与氧气发生反应后，注射器内气压减小，活塞在大气压的作用下往内移动，减小的容积就是消耗氧气的体积，可直接通过刻度读出，读数方便，准确度大。演示实验可以通过投屏观察，学生实验结果可取平均值，更科学。改进实验成功率高，更有利于学生理解实验原理，降低学习难度。

3.成本低廉，安全方便。该实验器材简单、药品易得，成本低廉。实验耗材为暖宝宝，班级分组实验1 至2包足够，注射器可重复使用，实验过程中不用点燃操作，不产生污染气体，安全方便。

当然，此改进也还存在一些不足：如注射器活塞与注射筒之间的摩擦会对体积测量的准确性产生一定的影响；另外两注射器连接内部会有极少量空气，也会影响精确度；另外，学生在摇晃操作中，连接导管的脱落也会对实验产生一定的影响。当然，在实际教学中，这些可以作为学生进一步改进或思考的拓展素材。

实验既是学生学习科学的途径，也是教师教学的重要工具，将更简单精确的实验改进用于课堂，无论是对教还是学，都大有裨益。