红磷、白磷在密闭容器中燃烧的耗氧量探究

陈学东+严西平

摘要：测定空气中氧气的体积含量是九年级化学中一个重要实验，采用教材中的实验方法进行实验时常出现负误差，实验效果不理想。使用氧气传感器，借助数字化实验装备再次探究。分析误差产生的原因并尝试寻找更好的实验药品及方法。

关键词：红磷；白磷；氧气传感器；数字化实验

文章编号：1008-0546（2014）07-0090-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.07.034

义务教育教科书沪教版化学上册[1]空气中氧气体积含量的测定是九年级化学教学中一个非常重要的实验。教材中的实验设计如图1所示，实验时，通过红磷燃烧消耗氧气，使集气瓶中气压下降，外界气压将水压入集气瓶中，进入集气瓶中的水的体积即为瓶中氧气的体积，同时教材中也明确提出了要进行误差分析。从理论上讲，该实验设计是完全可行的，但在实际操作中，实验结果往往呈现负误差。而教师引导学生仅从操作的层面进行讨论，如瓶体积5等分不准确、红磷用量太少、装置漏气、没有迅速将红磷伸入集气瓶中等，不一而足。但是偏偏漏掉了反应是否完全这一重要的因素，上述假设都是建立在反应百分百完全的基础上？反应的真实情况是这样的吗？通过查阅一些相关的文献资料并分析，我们认为有些误差的确是由于实验时的人为原因造成的，可以通过提高实验者的实验操作能力来得到改善。但某些文献资料[2-3]同时也指出，在这种条件下密闭容器中红磷燃烧无法把氧气完全耗尽。为了探究实验的真实情况，我们借助数字化实验，对教材中的实验装置进行改进，设计了图2装置进行实验。

改进说明：

（1）为了便于与教材的实验进行对比说明，对教材中的反应装置没有作大的改动，仅把测定氧气含量的方法改为使用氧气传感器测定（将橡皮塞切开一个圆形口，正好塞入氧气探头），使密闭容器内氧气的含量随反应的进行同步呈现在学生面前，效果更加直观。同时避免了5等分划分瓶身的不均一以及水倒吸入瓶中这一过程的种种弊端（如止水夹开启过早、导管过长、压差太大引起的惯性虹吸等等）。

（2）根据氧气传感器的工作原理，考虑到磷在燃烧时会放出大量的热，同时生成的五氧化二磷吸水后生成的偏磷酸会对传感器的响应造成较大的影响（通常表现为开始示数会快速下降然后回升到初始值，随后才能进入正常的响应区间）。因此设计实验装置时在氧气传感器的下端安装了一个用燃烧匙制作的保护罩，实验前先用凡士林密封，待传感器示数恢复到开始时（一般不用校准到21%，因为教室里的环境中氧气的含量低于这个标准值）的数值（约19%左右），向下推开同时开始测量。这样做既可以保护传感器，又能最大限度地减少燃烧对传感器工作的影响。

实验过程：取适量红磷、白磷在密闭容器中燃烧后，同步测定容器中的氧气剩余含量。（结果见图3、图4）

实验结果：上述两图清楚地表明，在此实验条件下无论是红磷还是白磷，都不能使容器内的氧气完全耗尽：多次实验结果基本一致，即红磷燃烧后氧气的残留量约为7%，白磷燃烧后氧气的残留量约为2-3%。

定性分析：（1）红磷着火点是260℃，在一个密闭容器中，随着红磷燃烧的进行，氧气的含量逐渐减少，反应逐渐变慢，放出的热量也会逐渐减少，最终会使温度降低到红磷的着火点以下，所以不待氧气完全消耗完，燃烧就可能停止下来。而白磷的着火点较低，只有约40℃，比红磷更容易燃烧，需要燃烧来维持其燃点温度的热量也比红磷小的多，所以燃烧的时间更长，消耗的氧气比红磷更多，自然残留量更少。

（2）在实验教学的过程中，实验者往往会存在这样的操作问题，即把燃烧的红磷插入容器中时无意或故意不立即塞紧橡胶塞，使容器里的一部分空气受热膨胀而逸出，使容器的温度在还没有降到室温时就产生了负压，进入容器的水面高度就会达到甚至超过1/5，学生看到的其实是一个实验成功的假象，但是却失去了实验本身所应具备的真实性和科学性。

理论计算：为了验证实验结果，我们还运用物理化学的相关知识进行了相关计算，过程如下：

查阅数据：两种不同状态磷的标准生成吉布斯自由能分别为：

（1）教材中使用红磷在密闭容器中燃烧是无法消耗密闭容器中所有氧气的，即使用白磷也无法完全消耗密闭容器中所有氧气。但实验效果比用红磷更好。建议进行该实验的演示教学时，在保证安全的前提下尽量使用白磷。

（2）教师应注重专业发展，即使是初中化学教师也要补补反应机理的业务知识，不能只停留仅仅完成演示实验的层次上，要对实验本身开展“高端备课”。在本节课的备课过程中，对实验的误差分析，教师就不仅要考虑实验的操作层面，更应将反应是否完全这一重要因素考虑进去，将实验的教育功能完整地展示出来。

（3）在课堂教学中，在完成教材中实验的同时，可以增加数字化实验的对比演示。使学生了解教材中的实验方法还存在由于红磷无法将容器中的氧气完全耗尽而产生误差的情形，还原实验的科学性和真实性。这也是对学生进行实事求是的实验态度教育的良好素材和重要契机。

[注：本实验获得全国第三届“威尼尔”（Vernier）杯化学数字化实验教学应用及创新设计大赛一等奖]

参考文献

[1] 王祖浩，王磊.义务教育教科书.化学（上册）[M]. 上海：上海教育出版社2013：13-14

[2] 张贞，杨承印.空气中氧气含量测定实验原理探析[J].中学化学教学参考，2010，（11）

[3] 章永军.利用传感器分析空气中氧气含量定的误差[J].化学教与学，2011，（7）endprint

摘要：测定空气中氧气的体积含量是九年级化学中一个重要实验，采用教材中的实验方法进行实验时常出现负误差，实验效果不理想。使用氧气传感器，借助数字化实验装备再次探究。分析误差产生的原因并尝试寻找更好的实验药品及方法。

关键词：红磷；白磷；氧气传感器；数字化实验

文章编号：1008-0546（2014）07-0090-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.07.034

义务教育教科书沪教版化学上册[1]空气中氧气体积含量的测定是九年级化学教学中一个非常重要的实验。教材中的实验设计如图1所示，实验时，通过红磷燃烧消耗氧气，使集气瓶中气压下降，外界气压将水压入集气瓶中，进入集气瓶中的水的体积即为瓶中氧气的体积，同时教材中也明确提出了要进行误差分析。从理论上讲，该实验设计是完全可行的，但在实际操作中，实验结果往往呈现负误差。而教师引导学生仅从操作的层面进行讨论，如瓶体积5等分不准确、红磷用量太少、装置漏气、没有迅速将红磷伸入集气瓶中等，不一而足。但是偏偏漏掉了反应是否完全这一重要的因素，上述假设都是建立在反应百分百完全的基础上？反应的真实情况是这样的吗？通过查阅一些相关的文献资料并分析，我们认为有些误差的确是由于实验时的人为原因造成的，可以通过提高实验者的实验操作能力来得到改善。但某些文献资料[2-3]同时也指出，在这种条件下密闭容器中红磷燃烧无法把氧气完全耗尽。为了探究实验的真实情况，我们借助数字化实验，对教材中的实验装置进行改进，设计了图2装置进行实验。

改进说明：

（1）为了便于与教材的实验进行对比说明，对教材中的反应装置没有作大的改动，仅把测定氧气含量的方法改为使用氧气传感器测定（将橡皮塞切开一个圆形口，正好塞入氧气探头），使密闭容器内氧气的含量随反应的进行同步呈现在学生面前，效果更加直观。同时避免了5等分划分瓶身的不均一以及水倒吸入瓶中这一过程的种种弊端（如止水夹开启过早、导管过长、压差太大引起的惯性虹吸等等）。

（2）根据氧气传感器的工作原理，考虑到磷在燃烧时会放出大量的热，同时生成的五氧化二磷吸水后生成的偏磷酸会对传感器的响应造成较大的影响（通常表现为开始示数会快速下降然后回升到初始值，随后才能进入正常的响应区间）。因此设计实验装置时在氧气传感器的下端安装了一个用燃烧匙制作的保护罩，实验前先用凡士林密封，待传感器示数恢复到开始时（一般不用校准到21%，因为教室里的环境中氧气的含量低于这个标准值）的数值（约19%左右），向下推开同时开始测量。这样做既可以保护传感器，又能最大限度地减少燃烧对传感器工作的影响。

实验过程：取适量红磷、白磷在密闭容器中燃烧后，同步测定容器中的氧气剩余含量。（结果见图3、图4）

实验结果：上述两图清楚地表明，在此实验条件下无论是红磷还是白磷，都不能使容器内的氧气完全耗尽：多次实验结果基本一致，即红磷燃烧后氧气的残留量约为7%，白磷燃烧后氧气的残留量约为2-3%。

定性分析：（1）红磷着火点是260℃，在一个密闭容器中，随着红磷燃烧的进行，氧气的含量逐渐减少，反应逐渐变慢，放出的热量也会逐渐减少，最终会使温度降低到红磷的着火点以下，所以不待氧气完全消耗完，燃烧就可能停止下来。而白磷的着火点较低，只有约40℃，比红磷更容易燃烧，需要燃烧来维持其燃点温度的热量也比红磷小的多，所以燃烧的时间更长，消耗的氧气比红磷更多，自然残留量更少。

（2）在实验教学的过程中，实验者往往会存在这样的操作问题，即把燃烧的红磷插入容器中时无意或故意不立即塞紧橡胶塞，使容器里的一部分空气受热膨胀而逸出，使容器的温度在还没有降到室温时就产生了负压，进入容器的水面高度就会达到甚至超过1/5，学生看到的其实是一个实验成功的假象，但是却失去了实验本身所应具备的真实性和科学性。

理论计算：为了验证实验结果，我们还运用物理化学的相关知识进行了相关计算，过程如下：

查阅数据：两种不同状态磷的标准生成吉布斯自由能分别为：

（1）教材中使用红磷在密闭容器中燃烧是无法消耗密闭容器中所有氧气的，即使用白磷也无法完全消耗密闭容器中所有氧气。但实验效果比用红磷更好。建议进行该实验的演示教学时，在保证安全的前提下尽量使用白磷。

（2）教师应注重专业发展，即使是初中化学教师也要补补反应机理的业务知识，不能只停留仅仅完成演示实验的层次上，要对实验本身开展“高端备课”。在本节课的备课过程中，对实验的误差分析，教师就不仅要考虑实验的操作层面，更应将反应是否完全这一重要因素考虑进去，将实验的教育功能完整地展示出来。

（3）在课堂教学中，在完成教材中实验的同时，可以增加数字化实验的对比演示。使学生了解教材中的实验方法还存在由于红磷无法将容器中的氧气完全耗尽而产生误差的情形，还原实验的科学性和真实性。这也是对学生进行实事求是的实验态度教育的良好素材和重要契机。

[注：本实验获得全国第三届“威尼尔”（Vernier）杯化学数字化实验教学应用及创新设计大赛一等奖]

参考文献

[1] 王祖浩，王磊.义务教育教科书.化学（上册）[M]. 上海：上海教育出版社2013：13-14

[2] 张贞，杨承印.空气中氧气含量测定实验原理探析[J].中学化学教学参考，2010，（11）

[3] 章永军.利用传感器分析空气中氧气含量定的误差[J].化学教与学，2011，（7）endprint

摘要：测定空气中氧气的体积含量是九年级化学中一个重要实验，采用教材中的实验方法进行实验时常出现负误差，实验效果不理想。使用氧气传感器，借助数字化实验装备再次探究。分析误差产生的原因并尝试寻找更好的实验药品及方法。

关键词：红磷；白磷；氧气传感器；数字化实验

文章编号：1008-0546（2014）07-0090-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.07.034

义务教育教科书沪教版化学上册[1]空气中氧气体积含量的测定是九年级化学教学中一个非常重要的实验。教材中的实验设计如图1所示，实验时，通过红磷燃烧消耗氧气，使集气瓶中气压下降，外界气压将水压入集气瓶中，进入集气瓶中的水的体积即为瓶中氧气的体积，同时教材中也明确提出了要进行误差分析。从理论上讲，该实验设计是完全可行的，但在实际操作中，实验结果往往呈现负误差。而教师引导学生仅从操作的层面进行讨论，如瓶体积5等分不准确、红磷用量太少、装置漏气、没有迅速将红磷伸入集气瓶中等，不一而足。但是偏偏漏掉了反应是否完全这一重要的因素，上述假设都是建立在反应百分百完全的基础上？反应的真实情况是这样的吗？通过查阅一些相关的文献资料并分析，我们认为有些误差的确是由于实验时的人为原因造成的，可以通过提高实验者的实验操作能力来得到改善。但某些文献资料[2-3]同时也指出，在这种条件下密闭容器中红磷燃烧无法把氧气完全耗尽。为了探究实验的真实情况，我们借助数字化实验，对教材中的实验装置进行改进，设计了图2装置进行实验。

改进说明：

（1）为了便于与教材的实验进行对比说明，对教材中的反应装置没有作大的改动，仅把测定氧气含量的方法改为使用氧气传感器测定（将橡皮塞切开一个圆形口，正好塞入氧气探头），使密闭容器内氧气的含量随反应的进行同步呈现在学生面前，效果更加直观。同时避免了5等分划分瓶身的不均一以及水倒吸入瓶中这一过程的种种弊端（如止水夹开启过早、导管过长、压差太大引起的惯性虹吸等等）。

（2）根据氧气传感器的工作原理，考虑到磷在燃烧时会放出大量的热，同时生成的五氧化二磷吸水后生成的偏磷酸会对传感器的响应造成较大的影响（通常表现为开始示数会快速下降然后回升到初始值，随后才能进入正常的响应区间）。因此设计实验装置时在氧气传感器的下端安装了一个用燃烧匙制作的保护罩，实验前先用凡士林密封，待传感器示数恢复到开始时（一般不用校准到21%，因为教室里的环境中氧气的含量低于这个标准值）的数值（约19%左右），向下推开同时开始测量。这样做既可以保护传感器，又能最大限度地减少燃烧对传感器工作的影响。

实验过程：取适量红磷、白磷在密闭容器中燃烧后，同步测定容器中的氧气剩余含量。（结果见图3、图4）

实验结果：上述两图清楚地表明，在此实验条件下无论是红磷还是白磷，都不能使容器内的氧气完全耗尽：多次实验结果基本一致，即红磷燃烧后氧气的残留量约为7%，白磷燃烧后氧气的残留量约为2-3%。

定性分析：（1）红磷着火点是260℃，在一个密闭容器中，随着红磷燃烧的进行，氧气的含量逐渐减少，反应逐渐变慢，放出的热量也会逐渐减少，最终会使温度降低到红磷的着火点以下，所以不待氧气完全消耗完，燃烧就可能停止下来。而白磷的着火点较低，只有约40℃，比红磷更容易燃烧，需要燃烧来维持其燃点温度的热量也比红磷小的多，所以燃烧的时间更长，消耗的氧气比红磷更多，自然残留量更少。

（2）在实验教学的过程中，实验者往往会存在这样的操作问题，即把燃烧的红磷插入容器中时无意或故意不立即塞紧橡胶塞，使容器里的一部分空气受热膨胀而逸出，使容器的温度在还没有降到室温时就产生了负压，进入容器的水面高度就会达到甚至超过1/5，学生看到的其实是一个实验成功的假象，但是却失去了实验本身所应具备的真实性和科学性。

理论计算：为了验证实验结果，我们还运用物理化学的相关知识进行了相关计算，过程如下：

查阅数据：两种不同状态磷的标准生成吉布斯自由能分别为：

（1）教材中使用红磷在密闭容器中燃烧是无法消耗密闭容器中所有氧气的，即使用白磷也无法完全消耗密闭容器中所有氧气。但实验效果比用红磷更好。建议进行该实验的演示教学时，在保证安全的前提下尽量使用白磷。

（2）教师应注重专业发展，即使是初中化学教师也要补补反应机理的业务知识，不能只停留仅仅完成演示实验的层次上，要对实验本身开展“高端备课”。在本节课的备课过程中，对实验的误差分析，教师就不仅要考虑实验的操作层面，更应将反应是否完全这一重要因素考虑进去，将实验的教育功能完整地展示出来。

（3）在课堂教学中，在完成教材中实验的同时，可以增加数字化实验的对比演示。使学生了解教材中的实验方法还存在由于红磷无法将容器中的氧气完全耗尽而产生误差的情形，还原实验的科学性和真实性。这也是对学生进行实事求是的实验态度教育的良好素材和重要契机。

[注：本实验获得全国第三届“威尼尔”（Vernier）杯化学数字化实验教学应用及创新设计大赛一等奖]

参考文献

[1] 王祖浩，王磊.义务教育教科书.化学（上册）[M]. 上海：上海教育出版社2013：13-14

[2] 张贞，杨承印.空气中氧气含量测定实验原理探析[J].中学化学教学参考，2010，（11）

[3] 章永军.利用传感器分析空气中氧气含量定的误差[J].化学教与学，2011，（7）endprint