排水法收集氧气时机选择的实验探究

张章录

摘要：以加热高锰酸钾制取氧气为例，借助手持技术的数字化实验手段证实了“气泡连续、均匀冒出”时排出的气体中氧气浓度仅为28.7%左右。结合氧气性质的实验，探讨并确认了“气泡连续、均匀冒出”后25秒左右才是排水法收集氧气最适宜的时机。

关键词：排水法；氧气收集；时机选择；实验探究

文章编号：1005–6629（2015）7–0068–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

排水法收集氧气由于其收集的氧气浓度较排空气法高，且实验完成直观可见，常是实验室制取氧气首选的集气方法。对于排水法收集氧气的具体操作细节教科书中虽然没有作详细的表述[1]，但在与教科书配套使用的教师教学指导书中有“为收集到较纯的氧气，要等导管口均匀冒出气泡时才收集”[2]的表述。为此，将“气泡连续、均匀冒出”作为开始收集氧气最适宜的时机是公认的普遍做法，大家习惯性认为此时排出的氧气已经比较纯净。事实真的如此吗？过去受实验工具限制，这种做法的准确性并没经过具体的实验论证，只是作为一个“经验性结论”沿续下来。现在有了手持技术这一研究手段，其数字化的研究优势能够为该结论的可靠性论证提供有力的数据支持。

2 问题的研究

2.1 氧气浓度的测定实验

利用浓度传感器测定“气泡连续、均匀冒出”时氧气的浓度，并通过数据采集器和计算机绘制浓度变化曲线，从而获取实验所需的相关数据。具体实验过程如下。

采用加热高锰酸钾的方法产生氧气，测定不同时刻从试管排出的气体中氧气的浓度，所用装置和仪器如图1所示（试管规格30×200mm；玻璃导管内径4mm，长度400mm）。

实验过程中产生的氧气通过一个倒置在水中的漏斗收集。加热药品的时间（预热后对药品集中加热时开始计时）与对应排出气体中氧气浓度的数据通过与漏斗相连的传感器进行测定，所得数据的图像如图2所示。

图2显示，反应过程中氧气浓度的变化呈现四个主要时段：加热初期，氧气浓度逐渐增大（初始每秒增加0.1%，随后为0.5%～1%）；接着快速增大（每秒递增2%～3%）；然后又逐渐变缓（每秒增加0.5%～1%）；最后趋于稳定。结合实验过程观察到每一时段气泡冒出的情况，将相关信息归纳如表1所示。

从表1可以看出，在加热药品的第I时段后期（11～16s），气泡已经连续、均匀且快速冒出，但此时从试管中排出气体中氧气的浓度最多只有28.7%左右。为此，教材中“当气泡连续、均匀冒出时表示排出的氧气已经比较纯净”的说法是不符合真实情况的。

2.2 不同时机收集氧气的性质实验

氧气浓度的测定实验证明加热高锰酸钾制取氧气时，当气泡连续、均匀冒出时，从导气管排出的氧气还是不够纯净的。当然这并不能说明此刻不能作为收集氧气的时机，因为对于初中氧气性质实验而言，氧气浓度只需达到一定的数值，即满足实验要求即可。因此，此时收集的氧气能否达到完成氧气性质实验的浓度要求，成为判断是否是收集气体适宜时机的关键所在[3]。为此，又进行以下的实验。

如表1所示，参照“气泡连续、均匀冒出”时“加热时间”的情况，选取第I时段中期（对药品集中加热后10秒左右，下称“时机1”）、第II时段的初始期（对药品集中加热后15秒左右，下称“时机2”）及第III时段的初始期（对药品集中加热后35秒左右，下称“时机3”）这三个时间点为开始收集氧气的时机进行实验。

采用加热高锰酸钾的方法产生氧气，按照所选择的三个时机分别进行排水法收集氧气的实验，每个时机各进行4次收集氧气的实验（每次实验所用的高锰酸钾质量相同、预热时间保持相同），分别收集4瓶容积为150mL的氧气（其中1瓶预留少量的水）。利用不同时机收集到的氧气分别进行带火星的木条复燃、木炭燃烧、蜡烛燃烧及铁丝燃烧等实验，记录观察到的实验现象，具体情况如表2所示。

从实验结果来看，“时机1”收集的氧气能满足带火星木条复燃的实验要求，只能基本达到蜡烛燃烧的实验要求，而没能达到木炭燃烧和铁丝燃烧的实验要求；“时机2”收集的氧气虽然能完成所有的四个实验，但木炭燃烧和铁丝燃烧的实验效果不理想；“时机3”收集的氧气进行的四个实验效果均很理想。

2.3 结果与讨论

2.3.1 排水法收集氧气的适宜时机

纵观选择的三个时机收集氧气进行实验的效果来看，“时机3”即气泡连续、均匀冒出后35秒左右收集的氧气进行实验的效果较为理想。根据氧气浓度只需达到实验要求这一原则，所以排水法收集氧气的时机应以氧气能否达到完成氧气性质实验的浓度要求为标准，为此“时机3”可认为是排水法收集氧气较为适宜的时机。

2.3.2 实验结果实际应用的讨论

在具体的制取实验中，采用“时机3”作为排水法收集氧气的起始时刻是较为合理的做法，但此时机不好把握，需要借助计时工具。而采用易于判断的“时机1”收集到的氧气却基本不能达到实验要求。根据已有的实验经验，在“时机1”（即气泡刚刚连续均匀冒出后）收集一瓶容积50mL的氧气，一般需要30秒左右的时间，此时刻刚好与“时机3”的时间点基本一致，因此笔者认为在进行排水法收集氧气的实验时，可采用折中的做法进行收集氧气适宜时机的判断，即仍以“气泡连续、均匀冒出”为气体的收集起始时刻，收集满一瓶50mL的氧气（此瓶氧气一般不用于实验，主要起计时作用）后，方为收集氧气的适宜时机。

2.3.3 有关实验操作误差的讨论

在具体的实验操作过程中，由于药品堆放的方式、预热的方式、试管的规格、导气管的粗细长短、集中加热的部位以及酒精灯火焰的大小等因素不尽相同，都可能使该实验确定的三个不同时机所对应的时间存在一定的偏差。

3 结论

实验表明，排水法收集氧气时，当“气泡连续、均匀冒出”，从试管中排出气体中氧气的浓度最多只有28.7%左右，此时进行收集的气体不能满足氧气性质实验的基本要求，所以传统的教学将“气泡连续、均匀冒出”作为开始收集氧气最适宜时机的做法是不符合真实情况的。只有在“气泡连续、均匀冒出”后35秒左右再开始收集，得到的气体进行氧气性质实验的效果才较为理想。为此，将“气泡连续、均匀冒出”后35秒左右确定为排水法收集氧气的最适宜时机。

参考文献：

[1]王祖浩主编.义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M].上海：上海教育出版社，2014：35.

[2]王祖浩主编.义务教育课程标准实验教科书·化学教师教学指导书（九年级上册）[M].上海：上海教育出版社，2006：35.

[3]郑长龙.化学实验课程与教学论[M].北京：高等教育出版社，2009：160.