利用数字化仪器探析氧气收集实验中的纯度问题

邱联妹

摘要：利用氧气传感器进行数字化实验，通过测定排水法和向上排空气法收集氧气纯度差异以及氧气收集操作规范性对收集纯度影响，帮助学生利用直观数据理解抽象的分析。

关键词：数字化实验；氧气收集；氧气纯度

文章编号：1008-0546（2017）08-0088-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.08.031

一、实验背景

氧气的制取是初中化学课程中一个基础而又极其重要的教学点。根据氧气的使用需求可以选择排水法或向上排空气法进行收集，这两种收集方法收集到的氧气在纯度上有何区别？另外，无论是排水法还是向上排空气法在操作规范上都有一定的要求，以确保尽可能收集到纯度更高的氧气，那么操作不规范又会对收集氧气的纯度造成怎样的影响？在传统教学中，教师采取语言描述的方式向学生解释以上问题，然而再丰富生动的语言也难以让学生获得真实的感悟，借助数字化实验仪器可以解决这个问题，学生通过观测实验过程中氧气浓度的实时数值，获得直观体验。

二、实验目标

1. 利用氧气传感器探头的监测功能，通过数据采集器实时将氧气浓度的测定数据传达到手持多功能分析仪，在屏幕上直接生成数据曲线，展示容器内氧气浓度的变化过程或最终数值。

2. 通过真实数据比对分析，直观说明收集方法差异或操作规范性差异对氧气收集纯度的影响。

3. 利用数字化实验帮助学生在化学学习上从定性思维向定量思维转化，体验科技进步的产物数字化仪器在化学实验探究中发挥的重要作用。

三、实验试剂及仪器

氧气传感器、数据采集器、手持多功能分析仪、高锰酸钾、水、鐵架台、试管、导管、橡皮塞、集气瓶、毛玻璃片、酒精灯、水槽。

四、实验教学设计

实验探究经验储备：

用数据线连接氧气传感器、数据采集器、手持多功能分析仪，将氧气传感器探头伸入集气瓶中，用向上排空气法向集气瓶中通入氧气，瓶口放置带火星的木条。将显示屏上氧气浓度增大的变化曲线与带火星木条复燃的现象结合在一起，帮助学生形成氧气测定曲线与氧气浓度关系的直接经验感知（见图1、图2）。

实验探究一：不同收集方法收集氧气纯度的差异

[步骤1]用加热高锰酸钾分解制氧气，按照排水法规范操作要求，待集气瓶口向外冒出第一个大气泡后立即停止收集。重复实验，收集3瓶氧气（如图3所示）。将氧气传感器探头伸入集气瓶中测定氧气的含量（如图4所示），数据记录于表1中。

[步骤2] 用加热高锰酸钾分解制氧气，按照向上排空气法规范操作要求，以能使放置在集气瓶口带火星木条复燃为氧气集满的标准，重复收集3瓶氧气（如图5所示）。将氧气传感器探头伸入集气瓶中测定氧气的含量（如图6所示），数据记录于表1中。

[步骤3] 重复步骤2，将氧气集满标准改为以能使放置在集气瓶口带火星木条复燃后再收集40s，测定数据记录于表1中。

[数据记录]

[数据分析]

1. 实验前将氧气传感器探头进行校准，校准值为21%，实验中使用同一氧气传感器，系统误差相同，数据比较可信。

2. 对比分析表1数据发现：

（1） 用加热高锰酸钾分解制取氧气，按照课堂常规演示实验操作进行，氧气未经过除杂干燥，排水法收集氧气纯度明显大于向上排空气法（木条复燃停止收集）收集到氧气的纯度（差值10%）。

（2） 用加热高锰酸钾分解制取氧气，氧气未经过除杂干燥，均用向上排空气法收集，而验满标准不同，木条复燃后再收集40秒获得氧气纯度明显大于木条复燃立即停止收集的氧气纯度（差值8.7%），且几乎接近用排水法收集到氧气的纯度。

[解释评价]

1. 氧气密度与液态水密度相差较大，虽因水蒸气的存在，不可能收集到100%氧气，但相较于排空气法（常规验满标准），还是排水法收集到氧气纯度较高。故排水法收集气体纯度高的优势理论成立。

2. 氧气的密度与空气相差不大以及收集时气体对流因素造成向上排空气法收集气体纯度不高，但若将验满标准改为木条复燃后再收集40秒，收集到氧气纯度明显增大，甚至可能达到排水法收集的纯度。故若实验需要纯度高又干燥的氧气进行实验，如铁丝燃烧实验，可选择向上排空气并延长收集时间的方法收集氧气。

实验探究二：收集规范性差异对收集氧气的纯度的影响

[步骤1]加热高锰酸钾用排水法收集氧气，按照排水法规范操作，待导管口冒出连续均匀气泡后，将导管伸入集气瓶口，重复收集3瓶氧气，用氧气传感器测定氧气的浓度（本研究中利用实验探究一里面步骤1的数据），记录数据于表2中。

[步骤2]加热高锰酸钾用排水法收集氧气，未按照排水法规范操作，导管口一冒出气泡立即收集。重复收集3瓶氧气，用氧气传感器测定氧气的浓度。数据记录于表2中。

[数据记录]

[数据分析]

1. 考虑装置中原存空气体积固定，集气瓶容积的大小对测定结果有一定的影响。该实验中使用容积为100mL的集气瓶收集氧气进行测定，系统误差相同，数据可以进行比较。

2. 均用排水法进行收集，导管口一冒出气泡后立即收集到氧气的纯度明显小于导管口冒出连续均匀气泡后收集的氧气纯度（差值约26%）。

[解释评价]

实验时通过观察到导管口冒出连续均匀气泡，说明此时排出氧气较纯净的理论成立。实验操作时应注意收集时机的把握，进行规范操作。

[步骤3]用向上排空气法收集氧气，按照规范操作要求，将导管伸近集气瓶底部，以能使放置在集气瓶口带火星木条复燃为氧气集满的标准，重复收集3瓶氧气。将氧气传感器探头伸入集气瓶中测定氧气的含量（可利用实验探究一里面步骤2的数据），记录数据于表中3。

[步骤4]用向上排空气法收集氧气，未按照规范操作要求，将导管伸入集气瓶中部（如图7所示），以能使放置在集气瓶口带火星木条复燃为氧气集满的标准，重复收集3瓶氧气。将氧气传感器探头伸入集气瓶中测定氧气的含量，记录数据于表3中。

[数据记录]

[数据分析]

1. 用向上排空气法收集氧气，将导管伸入集气瓶中部，当放置在集气瓶口带火星木条复燃为氧气集满的标准，用氧气传感器测定氧气纯度时若空气与瓶中空气与氧气未均匀混合，会影响测定结果的准确性，故该实验应在气体收集完成后将集气瓶上下颠倒数次后再测氧气纯度。

2. 均用向上排空气法收集氧气，将导管伸近集气瓶底部收集到氧气的纯度明显大于导管伸至瓶中收集到氧气纯度（差值22.7%）。

[解释评价]

排空气法收集气体时，将导管尽可能伸近瓶底，以便将空气排尽的操作能较大程度上提高收集气体的纯度。

五、体会心得

近年来，数字化实验设备已然成为初中化学实验开展定量研究的新手段并日益普及到基层教学中。利用真实的数据为化学学习的抽象思考提供具体证据和有力说明，有利于帮助学生形成量变引起质变的唯物主义辩证观。在初中化学启蒙教学过程中，数字化实验设备未必只能在复杂实验才得以使用，更不必为了使用而设计超出教学大纲范围，脱离学生知识水平和接受能力的实验。参照义务教育化学课程标准，以教科书中常规实验为基础，合理地楔入数字化实验才更符合教学实际，更能服务于课堂，真正成为常态教学的组成部分。

参考文献

[1] 张志辉 初中实验室收集到100%的氧气[J].化学教与学，2013（12）：92

[2] 王祖浩.义务教育教科书化学教师教学指导书（上册）[M].上海：上海教育出版社，2013