基于浙教版初中科学“空气中氧气体积分数测定”实验的改进和思考

沈新颖

摘 要：“空气中氧气体积分数的测定”是义务教育初中阶段一个重要的科学实验，各地教材虽有不同，但主要是用红磷在集气瓶中燃烧消耗氧气的方法来测定，实验安全性和准确性不高，实验操作也较麻烦，不能满足课堂实验教学的需要。针对上述问题，前人已经有很多改进研究，虽然测量数据有明显提高，但在操作性、安全性方面还存在一些不足。在前人实验设计基础之上对该实验重新设计，借助玻璃注射器独有的密封性、可伸缩性、可测性等特点，改用白磷直接在注射器内燃烧来测定，实验可操作性强，安全无污染，测量数据准确。

关键词：氧气体积分数；玻璃注射器；密封可伸缩性；安全准确

一、教材实验解析

（一）教材内容

“空气中氧气体积分数测定”是浙教版科学八年级下册第三章第一节《空气》一课中的重要实验，具体实验活动过程如下：

1.按教材配图（图1）所示装置，先在集气瓶里加入少量水，再把剩余的容积用记号划成5等分。

2.点燃燃烧匙内的红磷，立即塞紧瓶塞，观察现象__________。

3.火焰熄灭后，震荡集气瓶，打开导管上的夹子，出现什么现象__________；瓶内水位变化__________；消耗的气体跟剩下的气体体积比约为__________。

实验说明：________。

（二）实验分析

此实验一般只做教师课堂演示，即便是教师演示实验，还有好多实验环节是教师在实验过程中不易操作的，以及一些不可避免的因素，而出现实验数据有较大的偏差：

1.刻度划分困难。由于集气瓶内部空间的不规则性，集气瓶加入少量的水后，剩余容积5等分的划分比较麻烦。在日常教学中，好多教师由于教学任务繁重，为节约时间都是凭感觉估计着进行划分，作为一个定量实验，没有准确的数据标注肯定是不科学的。当然，要较为准确标注刻度则需要借助量筒来进行，相对而言，这样标注刻度就比较耗时。

2.实验时有污染且偏差大。集气瓶外点燃红磷，红磷在空气中燃烧会产生五氧化二磷，虽然量较少，但多少会污染教室空气，带来一定的安全隐患。实验要求点燃后立即将红磷移入集气瓶，理论上是越快越好，但在实际操作过程中由于燃烧匙和橡胶塞、导管相连，总有些拖泥带水，不够快速，造成最终实验数据偏差较大。

3.实验中有安全隐患。在塞紧瓶塞时，特别是女教师在实验过程中往往没有控制好瓶塞松紧度，反应开始阶段，红磷在瓶内燃烧加热空气，空气热膨胀的体积大于燃烧消耗的氧气体积，使瓶内气压大于瓶外气压，会出现瓶塞弹出现象，加剧了实验的危险性。同时在压紧瓶塞下移的过程中，集气瓶内的空气其实已经被压缩，对后续数据的测量也带来了干扰。

4.其他影响数据测量的因素：玻璃导管中的空气不能除去；导管液面高度不相同出现的压力差等因素都会影响最终数据的测量。

（三）实验方案探索

基于上述的一系列问题，前人也进行了大量的实验设计和改进，通过资料查阅前人的实验方案主要有以下一些：

1.方案一和方案二都是针对“快速塞紧瓶塞”这一环节不易操作进行了改进，红磷燃烧在密闭的环境中进行，有效避免了红磷在空气中燃烧带来的污染，实验后数据较改进前有了很大的提高，但还是不能避免红磷燃烧带来的瓶内气压增大带来的安全隐患和其他细节中的数据影响。

2.方案三用注射器中的空气替代了方案一中的水，可以有效避免水的压力差带来的数据影响，使数据更加准确。但在实际试验过程中磷燃烧初期瓶内气压增大，还是容易出现橡皮塞弹出等问题，且导管中仍有空气干扰，安全性、准备性还有待于进一步提高。

（四）探索方案总结

综合上述实验方案设计，要简单易操作且相对准确测量空气中氧气的体积分数，无非要做到以下几个环节：

1.反应装置必须是密闭的，整个实验过程都保持密闭状态；

2.能快速反应消耗氧气，且反应易于控制；

3.反应装置要具备密闭状态下的可伸缩性，能避免氧化反应过程中装置内气压变化带来的安全隐患；

4.装置本身最好具有数据读取功能，方便直接读数。

二、本实验方案

借鉴前人的实验设计，本人利用玻璃注射器巧妙解决了这一系列的问题，使实验更加环保、安全，可操作性大大增强，实验数据也更加准确，具体方案如下：

（一）实验原理

本方案实验原理与教材基本相同，只是将红磷换成着火点更低的白磷。过量白磷在封闭的针筒内充分燃烧，消耗了空气中的氧气，生成五氧化二磷固体。待充分反应后冷却，针筒内气压减小，注射器活塞向内运动，恢复室温气压平衡后，减小的体积就是针筒内消耗的氧气的体积。比较消耗的氧气的体积和针筒内原有空气的体积，从而计算出空气中氧气的体积分数。

（二）实验器材

白磷、铜片（弧面、曲度与针筒内壁相同）、玻璃注射器（100mL，标准4mm口径）、大烧杯、水槽、镊子、热水、冷水等。

（三）实验过程

1.取100mL玻璃注射器，去掉金属针头，将活塞取出放置在盛水的水槽中，针筒放置在托盘上。

2.用镊子取略大于米粒的白磷（过量即可），用吸水纸将其表面的水分吸干后将白磷放置在弧形铜片的中央。用镊子把装有白磷的铜片推入针筒底端，使铜片与针筒壁能紧密贴合（便于吸热和散热）。

3.安装密闭注射器。将活塞沾水（保证其良好的密闭性，同时能减小活塞移动时的阻力）推入针筒，使针筒内的空气体积保持在100mL，并用橡胶塞封堵注射口。密闭注射器后，将注射器固定在托盘支架上，活塞部位要留有空間，保证能正常移动。

4.用80℃左右的热水缓慢冲淋白磷部位的针筒，针筒内空气温度升高，受热膨胀，推动活塞向外运动；白磷吸热达到着火点被点燃，剧烈反应加速空气膨胀，继续推动活塞向外运动。稍后，白磷充分燃烧消耗了针筒内的全部氧气，产生五氧化二磷固体，使针筒内气压降低，活塞开始向内运动。endprint

5.将注射器转移到水槽上方固定，用冷水冲淋降温。此时针筒中剩余气体冷却收缩，活塞继续向内运动，待活塞不再移动后记录针筒内剩余气体的体积（约为80mL）。

6.数据分析和计算：针筒内原有空气体积100mL，充分反应冷却后体积80mL，说明反应消耗掉的氧气约为20mL，最终计算出空气中氧气的体积分数约是20%。

7.实验器材的整理和废物的无害化处理。

（四）实验设计的优点

1.该设计使用玻璃注射器，取材方便且其活塞可以自由伸缩，安全性高；针筒上标注有刻度且材质透明，演示实验中实验过程能安全直观呈现给学生。

2.该设计中点燃白磷采用热水冲淋加热的方法，方便快捷、安全可控。实验中的弧形铜片也起到了非常重要的作用：利用铜良好的导热性，点燃前能快速吸收热量，帮助升温，点燃后能快速散失热量，防止局部高温炸裂针筒；较大的弧面还能防止燃烧的白磷飞溅到针筒壁，防止白磷高温燃烧造成针筒破裂。多次的实验证明，该方案安全可靠。

3.该套实验装置（玻璃注射器）活塞移动灵敏，刻度标注准确，通过多次的数据测量，测得的实验数据都非常接近实际值。教师在演示实验中，有一个比较准确的实验数据或成功的实验，能为教师后续的教学过程提供理论依据，同时也为教学内容的顺利讲解提供保障。

4.该设计实验原理浅显易懂，实验用品廉价易得，实验操作简单安全，实验现象直观明显，实验数据准确易读，因此特别适合在教师指导下的学生探究实验之用，在化学启蒙教育初期就可以用这样的定量实验来提高学生的科学素养。

（五）实验注意事项

1.注射器气密性良好，必须是正规厂家生产的硬质玻璃材料。

2.实验过程中活塞要保证良好的自由收缩性，活塞必须干净，无颗粒物附着；在移动过程中必要时要加水湿润，保证更好的气密性和润滑性。

3.白磷属于危化物品，用量不可过多，实验后应对残渣进行有效处理，确保安全，无污染。

三、实验改进的思考

“测定空气中氧气体积分数”的实验活动，人教版九年级化学上册第二单元课题1《空气》和浙教版科学八年级下册第三章第1节《空气》中均采用的是红磷在集气瓶中燃烧消耗氧气间接测量展开教学。虽然在实验数据的准确性上有一定的偏差，但由于各种偏差原因的存在而使得这个普通的化学实验变得“经典”：首先，它给老师和学生带来了充足的思考空间，并能利用已知的科学知识加以解释和说明偏差的原因；其次，在分析原因的同时，也激发了学生的想象空间，学生不断对原有实验装置进行改进，从而提高实验数据的准确性。这也恰恰达到了教材实验装置设计的目的，提升了学生的思维和能力，培养了勇于探索科学的精神，真正体现了科学教学的目的。其实本人对上述实验的改进也是在学生质疑和探索中得到的启发，最终打破惯例在针筒中直接点燃白磷来测量空气中氧气的体积分数。

上述两种教材所选择的实验方案更多关注学生思维的发散和拓展，而本人的实验设计方案更多的只是关注数据的准确。两种实验设计目的有所差异，所以本人的方案，用玻璃注射器来测量空气中氧气的体积分数无法取代教材实验方案，它仅仅是对教材实验的补充和延伸。

参考文献：

[1]李德前.測定空气中氧气体积分数再改进[J].化学教育，2010（6）.

[2]张欣荣，等.简便准确测定空气中氧气含量的方法[J].化学教育，2010（4）.endprint