《空气中氧气含量的测定》实验改进

湖北省仙桃市第三中学(433000) 湖北省仙桃市大福中学(433024)

饶志权 丁水金

空气中氧气含量的测定实验是初中生学习化学时接触到的第一个定量实验。该实验在200多年前由法国化学家拉瓦锡设计完成，通过该实验粗略地测定了空气中氧气的体积分数。由于拉瓦锡实验耗时长，且实验中使用的汞蒸气又有一定的毒性，该实验一直以来被反复改进。

1 教材中实验的弊端

新课标版的教材中使用了如图1所示的实验装置来进行空气中氧气含量的测定实验。

图1 教材中的实验装置

该装置还存在如下缺陷：①红磷点燃后插入集气瓶的速度过慢会导致实验结果偏大；②导气管中存留有一定量的空气，会导致实验结果偏小；③燃烧匙在燃烧时固定不动，燃烧匙下部的氧气不能充分利用，理论上会导致实验结果偏小；④实验数据不直观，用尺子测量水的高度时没有考虑瓶底和瓶口处体积的变化。另外，冷却后打开弹簧夹时，水会将多余的红磷冲下，既不利于红磷的再利用，也会影响学生的直观感受。

2 实验原理

(1)化学方面的原理

(2)物理方面的原理

空气中的氧气被消耗，气体的体积减少，气体的压强减小，外界大气压强大于瓶中气体的压强，水被压入集气瓶中，此时V(H2O)=V(O2)。

3 实验改进

基于以上原因，笔者对空气中氧气含量的测定实验作了如下改进。

3.1 实验器材及药品

2只体积相同的试管、白磷、滤纸、打火机、镊子、小刀、量筒、酒精灯、铁架台、自制空气含量测定仪(含红墨水)。

3.2 实验装置图

改进实验装置如图2所示。

图2 实验装置图

3.3 实验步骤

3.3.1 测定一只试管中气体的体积

将1只试管装满水，然后将水倒入量筒中，测量水的体积V(H2O)=47 mL，可知试管中空气的体积为47 mL。

3.3.2 添加药品

用镊子和小刀取一小块白磷(略过量)，用滤纸吸干表面的水分，将白磷放入另一只干燥的试管中(与第一只试管型号完全相同，即两试管内气体的体积相同)，塞好单孔橡皮塞，并将试管固定在铁架台上，试管口略向下倾斜。

3.3.3 连接仪器

将单孔橡皮塞与自制空气含量测定仪(有刻度)连接好，并点燃酒精灯，对白磷微微加热，可以看到白磷熔化并燃烧，沿试管流下，边流边燃烧，同时产生大量的白烟。

3.3.4 测定空气中氧气的含量

冷却至室温后，转动铁夹，将试管倒立起来，打开弹簧夹，上下移动试管，调节试管中的液面与自制测定仪中的液面处于同一水平面，确保两边气体压强相等。记录测定仪的读数：ΔV=9.8 mL。

3.4 实验数据处理

空气中氧气的体积分数为：

4 改进实验的优点

(1)白磷是用酒精灯点燃的，避免了课本实验中在空气中点燃，不会让产生的P2O5五氧化二磷飘散于空气中，减少了空气污染。同时，避免了带燃烧匙的橡皮塞插入的速度太慢对实验结果产生较大的影响，会使实验结果更接近于真实值，减少误差。

(2)自制的测定仪预先放好了红墨水，有效避免了导管中空气对实验结果的影响。

(3)实验过程中，由于白磷的着火点低，很快被点燃。白磷边燃烧边流动，充分消耗了试管中的氧气。

(4)自制测定仪中的红墨水的颜色与试管的无色形成对比，学生对现象有更加直观的印象，避免了多余的红磷让学生产生一些误解。

(5)通过调整试管高度，保持两边液面高度一致，避免了课本实验中集气瓶内与烧杯内液面高度不一致而造成的误差。

(6)可以换同类型的试管反复测定，取平均值，使测定数据更加精确，更加接近真实值。

5 改进实验的缺憾

由于白磷燃烧消耗氧气，当氧气的浓度降到极稀时，不再支持燃烧，故理论上测定出的氧气的体积分数偏小，并且实验改进无法消除这一误差。