对“测定空气中氧气含量”实验改进案例与教学问题的探讨

郭震

摘要：分析现行教材测定空气中氧气含量实验存在的不足，对文献中的相关实验改进案例进行了评述，分析并指出部分实验改进案例在试剂、装置和实验教学方面存在的若干问题；探讨了实验和教学中易被忽视的空气成分与氧气含量、准确度与分辨率的不同含义，对认识拉瓦锡实验的价值和相关教学提出了建议。

关键词：氧气含量；空气成分；实验改进案例评述；教学研讨

“测定空气中氧气含量”实验是各版本初中化学教材在“空气”单元中的传统内容。该实验依据拉瓦锡经典实验的原理探究空气的组成，在中学化学启蒙阶段的教学中具有重要意义。据不完全统计，有关该实验的研究论文已超过200篇（见表1），多年来一直是实验改进与实验教学研究关注的热点。本文将对该实验的改进情况进行梳理和回顾，并对实验改进及相关教学过程中易被忽视的若干问题进行探讨。

1 教材中的实验

现行各版本初中化学教材均编入了测定空气中氧气含量的实验。其中，鲁教版化学教材采用铜粉氧化消耗氧气的方法[]，其余版本教材主要使用图1所示实验装置，利用红磷燃烧消耗装置中的氧气[]。现有研究认为该实验存在以下几方面不足，在准确度和安全性等方面存在改进的空间。

有研究表明，足量红磷在燃烧后仍难以耗尽装置内的氧气，残留氧气含量为2.45%[]、3.45%～7.6%[]。

燃著的红磷进入集气瓶时，瓶内温度迅速上升使空气膨胀并部分逸出，研究对象不是严格意义上的封闭体系，影响测量的准确度[]。

实验容器和导管形状不规则，且导管内空气或水的体积不易统计，难以准确将容积五等分[3]。

红磷在密闭空间内燃烧，气体受热膨胀可能使橡胶塞弹出，且红磷燃烧产生的P2O5具有毒性，存在一定安全和环境风险[]。

2 实验改进

针对以上不足，研究者主要从试剂和实验装置两方面对现有实验进行改进，取得了大量成果。

2.1 改进试剂

为了充分消耗实验体系内的氧气、提高密闭性、减少环境污染，一些研究将红磷替换为白磷[][]、铁粉[][]、钢丝绒[]、铜粉[][]，以及焦性没食子酸[]（邻苯三酚[]）、多硫化钠[]、Fe（OH）2[]、NO[]等物质；或将红磷替换为乙醇[]或蜡烛[]，同时将水改为碱溶液。

2.2 改进实验装置

文献中对实验装置的改进，主要着眼于提高密闭性、安全性，以及测量的准确度和操作的便捷性。将集气瓶改为内径均匀的容器，如注射器[5][17]、量筒[9][18]、试管[11][]、滴定管[7]、U型管[]、玻璃管[8]等；或使用传感器直接[]或间接[]测定氧气含量。同时，为达到以上目的，并适应不同试剂的物理性质和化学性质，改进耗氧剂的点火方式，如使用激光笔[7]、凸透镜[]、电热丝[6]、电磁炉[]，以及热的金属丝[21][]、金属陶瓷发热体（MCH，Metal Ceramics Heater）[]、热水[]、玻璃棒[]、吹风机[]等引燃红磷或白磷。

3 实验改进案例和教学中的若干问题

通过梳理上述实验改进案例，可以看出已有研究在实验的安全性、准确度和绿色化方面进行了大量改进，对解决现有实验存在的问题、培育学生的创新精神和环保意识具有积极意义。与此同时，部分实验改进也引入了新的问题，影响其推广应用，并对实验教学产生了一定影响。

3.1 在试剂改进方面

有相当数量的研究以白磷代替红磷作为耗氧剂，以便改进点燃方式，提高体系的密闭性，减少污染。但白磷本身属于剧毒、易自燃物品，根据《危险化学品安全管理条例》，其采购、储存和使用存在诸多困难；同时，使用白磷开展课堂教学，实验操作和废弃物处理都存在较多安全风险。

使用蜡烛和酒精取材方便，操作简单。但维持其燃烧需要的最低含氧量分别为16.0%和15.0%，明显高于红磷[]。燃烧产生的CO2需用碱溶液吸收，教学中需补充中和反应等知识；且不完全燃烧产生的CO不能被吸收，引入了额外的实验误差。

使用NO、Fe（OH）2、多硫化钠、邻苯三酚等物质作为耗氧剂，实验无需加热，操作较为便捷。但这些物质具有一定毒性或需现场制备，存在安全隐患，并增加了操作难度和实验时间。同时，相关制备和吸收原理较为复杂，教学中需补充高中或大学化学知识，超越了学生的知识基础和认知水平。

铁粉和铜粉可消耗装置中的绝大部分氧气[4][13]，有助于提高实验的准确度；其自身及氧化产物较为安全环保，试剂容易获取。但铁粉吸氧腐蚀耗时较多，现象不够明显；铜粉充分氧化需在加热时反复推拉注射器活塞，并保持装置的气密性，对仪器和操作的要求较高。

3.2 在实验装置改进方面

大量实验改进使用了注射器或量筒，其刻度清晰，便于准确读数，且注射器的气密性较好。但部分实验将这些内径较小的不耐热玻璃容器代替集气瓶作为燃烧容器，进行不规范操作，即便用陶瓷片隔热仍相当危险。使用凸透镜易受天气影响，使用大功率激光笔可能造成眼部损伤。使用电热丝、金属丝、热水等加热，部分用品需二次加工，装置复杂，对实验准备和操作的要求较高，增加了难度，不利于学生独立开展探究。

3.3 在实验教学方面

部分实验改进未能充分考虑大多数学生的知识基础、认知水平和实践能力，装置和原理过于复杂，导致教学中不得不将更多时间和精力放在仪器装置、实验操作和反应原理的介绍上，偏离了教学主题，影响教学效果。也有部分基于实验创新的课堂教学，忽视了本应采取的必要的防护和通风措施，以及试剂的合理用量，过分夸大教学中少量红磷及其燃烧产物的危害[]，导致学生对化学物质和化学实验产生负面和抵触情绪[]，对学习兴趣、教学效果和学科形象均产生不利影响。

4 讨论与建议

4.1 空气成分与氧气含量

由于大多数实验改进的着力点在于提高空气中氧气含量测量结果的准确度，因此有必要进一步讨论空气成分与氧气含量的多重含义。地球大气除了氧、氮等气体成分外，还有呈悬浮状态的液态（霾滴、云雾滴）和固态（烟炱、尘、花粉等）气溶胶质粒；高度在86 km以下的大气层，湍流扩散作用远大于分子扩散作用，其化学组分比例不变，被称为均质层；均质层内的空气不考虑水蒸气（水汽）和气溶胶质粒时，被称为干洁空气，一般讨论空气成分均是在干洁空气的前提下，其中氧气的含量约为21%（体积分数）；均质层内成分可变气体主要有水蒸气、二氧化碳和臭氧，其中水蒸气的含量较高，二氧化碳和臭氧的含量极低；空气中水蒸气的含量随时空的变幅很大，沙漠和极地上空极低，热带洋面其体积分数可达5%以上。[]空气中水蒸气和氧气的相对含量存在此消彼长的关系，水蒸气的比例增大，则氧气的比例减小[]。根据道尔顿分压定律，水蒸气体积分数为5%时，空气中氧气的体积分数降至约20%。

由于均质层内大气各组分的比例不变，因此在陆地海拔范围内（≤珠穆朗玛峰海拔8848.86 m[]），氧气的相对含量（体积分数）保持不变，与海拔并无关系[35]。日常生活中所谓“高原氧气稀薄”“氧气含量随海拔升高而降低”，具体指氧气分压，或以mol/L、g/m3等为单位的绝对含量降低，而非以体积分数表示的相对含量降低（见表2）。个别教学和实验改进案例，以当地海拔较高来解释低于21%的实验数据，或将这样的数值作为实验改进目标，混淆了氧气的绝对含量与相对含量，得出错误结论。实验室使用的氧气传感器[]，以及本文所述各类实验通过吸入水的体积获得的数据，均为氧气的体积分数，即相对含氧量。这是进行测定空气中氧气含量的实验与教学时容易忽视的一个问题。

4.2 准确度与分辨率

仪器或实验系统测量结果的准确度，一般指“在一定测量条件下测量值与被测定量的真值之间一致的程度”，而分辨率一般是“测量或显示系统对细节的分辨能力”。[]中学化学实验室常用氧气传感器的准确度一般为±1%（体积分数），分辨率为0.01%[38]；煤矿用氧气传感器的准确度一般为±3%，分辨率为0.1%[]。教材中的实验是粗略测定空气中的氧气含量，为适应本阶段的教学和学生的实验能力，采用图1所示装置和相应实验操作。其装置原理和操作本身都决定了这一实验系统的准确度不高，正如教学实践所表明的，其测量结果与氧气含量21%存在一定偏差。基于此，为提高实验系统的稳健性[40]，其装置体积测量的分辨率与准确度相匹配，采取较低的分辨率设定，其读数只可能为“0、1/5、2/5、3/5、4/5、1”；同时，选择体积较大的集气瓶，以减小导管体积未计入导致的误差，并给出更大的膨胀空间。部分实验改进，在基本实验原理和操作未作根本性改变的前提下，其体积测量使用刻度过于精密的仪器，实验系统的分辨率（如100 mL量筒为1%）远高于准确度，这是导致其各次测量结果之间出现较大偏差的重要因素之一。

4.3 拉瓦锡实验的价值与实验教学

“物质的组成”是化学研究的基本问题之一，拉瓦锡研究空气成分的实验是人类探索物质组成的经典实验。其实验结论的化学学科价值，主要有定性和定量两个方面，即空气由两种性质不同的气体组成，以及这两种气体各自所占比例。其实验设计的科学方法价值，主要体现在间接测量、等效替代[23]和物质转化等实验思想上。教材中的实验以中学实验室常用的标准化仪器代替较为少见的曲颈甑，以毒性较低、反应更快的红磷代替汞作为耗氧剂，以水代替汞呈现气体体积；在沿用拉瓦锡实验原理的基础上，基于学校装备情况和学生认知基础，以简化方式模拟和复现经典实验，承载了“通过实验研究物质组成的原理及方法”的渗透、落实和具体化[]，同样体现了拉瓦锡实验的以上价值。

测定空气中氧气含量的实验教学，应全面体现这一实验的化学学科价值，要让学生不仅从定量角度了解氧气含量，而且从定性角度认识空气主要由两种气体组成，二者的化学性质不同。与此同时，也应根据不同学生的接受能力，在新课教学或复习提升阶段，使实验的科学方法价值显性化，让学生了解、认识和应用物质转化、间接测量、等效替代等实验思想。例如，让学生分析生产白炽灯时在其中放入少量红磷的原因，以及如何为实验中的集气瓶划分刻度。部分师生认为集气瓶形状不规则，难以凭借高度准确划分刻度。实际上，利用拉瓦锡实验所体现的等效替代思想，向集气瓶中分次加入其液面上有效容积五分之一的水，即可解决这一问题。高中化学乙醇与钠反应推测乙醇分子结构的实验，实际上也利用了拉瓦锡实验的间接测量与等效替代思想，不同的是前者利用产生气体所排出的水的体积，后者利用消耗气体而吸入的水的体积。

中学阶段教材与教学中的化学实验，与专业化学工作者进行的实验，二者既有联系又有区别。除了科学性、安全性、经济性等共同的要求外，前者服务于教学，更强调实验的直观性、简便性和可及性，要求其与学校装备条件和学生认知水平同步，服务于核心素养培育。因此，实验改进应与实验的教学功能相适应。传感器和数字化实验的出现和广泛应用，使众多以提高测量准确度为目的的实验改进的必要性不再迫切；与此同时，如果仅为获取氧气含量的准确数据，使用氧气传感器进行直接測量即可达到目的，但这样的改进无助于学生全面了解拉瓦锡实验所蕴含的丰富化学学科与科学方法价值。面对这样的矛盾，已有研究者融合数字化实验与常规实验，为实验方法改进、实验教学改革与跨学科实践活动开展进行了宝贵的尝试[23][]。随着新的义务教育化学课程标准的颁布与实施，融合多种实验手段、体现科学方法、便于推广应用的实验改进必将不断涌现，更好地服务化学教学实践。

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