关于初中化学“测定空气中氧气体积分数”实验的反思与创新
2016-05-14王春霞
王春霞
文章编号：1008-0546（2016）06-0000-00 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.06.000
关于“测定空气中氧气体积分数”的知识点，是常州市化学第一学期期中考试的高频考点。笔者收集了“测定空气中氧气体积分数”各种改进装置，如下图所示。围绕这些装置，可以展开各种探究活动。
一、从多角度展开实验探究
1. 实验装置探究
课本实验装置的主要是集气瓶、烧杯，改进实验装置包括U型管、注射器、硬质玻璃管、量筒、水槽、钟罩等。对此，教师应理性地反思各种实验装置的设计思路，把构造简单、操作方便、现象直观的优秀的设计方案应用到我们的教学中。教师还可给出多种仪器选择，组装出更多的装置，小组讨论后找出优点。让学生自主探究，不仅可以使学生更加熟悉实验仪器，而且可以锻炼学生发散思维的能力，有利于培养学生的创新精神和实践能力。
2. 不同药品探究
由于初中生刚刚接触化学，对于燃烧什么物质把空气中的氧气消耗掉难以选择，教科书中使用的药品是红磷。教师可以引导学生思考并设计实验方案：能佛用铁丝、镁条、木炭、蜡烛代替红磷测定空气中氧气的体积分数？蜡烛或木炭不能代替红磷做实验，能否添加某种试剂把生成的二氧化碳吸收掉，使装置内压强减小呢？铜丝是没有可燃性的，但是为什么也能完成该实验？
学生通过分组实验探究活动，得出结论：测定空气中氧气体积分数的药品所需要满足的条件：第一，具有可燃性；第二，能与空气中氧气反应，且不与其他成分反应；第三，生成物最好是液体或固体，若是气体，必须要用其它物质完全吸收。
3. 热传递方式探究
通过观察各种改进装置，得出结论：热传递方式：酒精灯点燃、金属导热、放大镜聚光、热水浴、缓慢氧化放热等等。多种热传递方式，可以开阔学生思维，拓展视野。
4. 实验结果探究
科学探究中最重要、最核心的能力要素就是通过分析得到结论的能力。在教学过程中，教师要对实验结果有多视角、多维度的分析，充分挖掘教学内容的功能价值，它不仅有承载知识本体的功能，也有承载能力培养的功能。
在测定空气中氧气体积分数的诸多改进装置中，教师可以进一步提出具有思考价值的问题：这些装置都适合在短期内测定空气中氧气的体积分数吗？若能够，测定的共同原理是什么？对比课本实验装置，这些改进装置各有哪些有优缺点？让学生初步学会用观察、分析的方法获取信息，并从信息中得出科学结论的能力。
二、“喷泉实验”——测定空气中氧气体积分数的新方法
1. 课本实验不足
（1）红磷着火点较高240℃，点燃时需要用酒精灯加热较长时间，浪费时间和能源；
（2）检验完装置气密性后要拔出橡皮塞，点燃后再塞紧，在拔插橡皮塞的过程中，可能会引起装置漏气；
（3）红磷在空气中点燃的的过程中会有大量的五氧化二磷逸出，污染空气，影响人体健康，还会浪费药品：
（4）点燃红磷后要迅速塞紧橡皮塞，但是速度再快，也是需要时间的，只要时间不为零，在塞紧橡皮塞的过程中，瓶内空气必定有部分逸出，使最终结果偏大；
（5）进水的导管过长，导管内氧气不参与反应，但最终会进入集气瓶，使最终结果偏小。
（6）红磷燃烧熄灭并不是容器里的氧气耗尽，而是氧气的浓度降低到不能再支持红磷燃烧，即红磷燃烧仅消耗70%-80%左右的氧气，所以水面不可能达到1/5的理想高度
2. “喷泉实验”教学设计
[实验目的]：
针对课本实验装置不足，对“测定空气中氧气体积分数”的实验进行改进，减小实验误差，节约药品，保护环境，并增加实验的观赏性；培养学生发现问题、解决问题的能力。
[实验用品]：
白磷、细沙、蒸馏水、铁架台、圆底烧瓶、烧杯、量筒、镊子、玻璃导管、乳胶管、橡皮塞、酒精灯、火柴、石棉网、注射器、记号笔。
[实验装置]：
[实验操作]：
1. 连接仪器，检查装置气密性；
2. 向圆底烧瓶中加入少量细沙，用镊子夹取一块黄豆大小白磷，用滤纸吸干 表面水分，放在细沙上面；
3. 点燃酒精灯，加热白磷；
4. 待烧瓶内白磷燃烧完毕，将装置降到室温；
5. 倒置烧瓶，将顶端导管伸入盛水的烧杯，打开止水夹，形成喷泉；
6. 把烧瓶内倒吸的水导入量筒，量出体积。
[实验优点] 1. “喷泉”实验形象直观；
2. 白磷的着火点很低（40℃），缩短点燃时间，节约时间和能源；
3. 反应始终在密闭容器中进行，气密性更加有保障；
4. 不需“先在空气中点燃后伸入”这个步骤，直接在密闭容器中反应，可以 节约药品，还能减少因操作时间带来的实验误差，以及减少烟尘对空气的污染；
5. 白磷会自燃，即使在燃烧熄灭后仍在发生氧化反应，几乎把烧瓶内的氧气消耗尽；
6. 本实验导管较短，误差更小。
[实验不足] 1. 操作步骤繁琐、费时费力；
2. 后续数据处理麻烦；
3. 实验操作技能要求较高，操作失误会引起实验失败甚至烧瓶炸裂。
[反思与评价]
1. 为什么形成“喷泉”？
2. 装置中注射器起什么作用？
3. 烧瓶底部细沙的作用？
4. 怎样计算空气内氧气的体积分数？
5. 与理论值有偏差吗？
6. 为什么会有这样的偏差？
7. 本实验要成功，有哪些注意事项？
