数字实验探究排水法和向上排空气法收集氧气浓度的不同

王璟 黄思国

【实验背景】

氧气的收集方法有两种，分别是排水法和向上排空气法。在课堂中，学生分别用两种方法收集两瓶气体，并提出这两种气体有何不同。通过查阅资料，学生得出排水法收集的O2较为纯净，向上排空气法收集的O2较为干燥。进一步调查发现大多数学生对两瓶气体的差异还是有极大的兴趣的，为了验证学生的结论，同时也为激发学生学习化学的兴趣，提高对化学学习的动力，我校化学兴趣小组的同学决定组织开展一次比较排水法和向上排空气法收集氧气的浓度有何不同的探究活动。

【实验原理】

利用O2传感器分别测量排水法和向上排空氣法收集的O2浓度变化数据，从而推断两种方法收集的O2纯度情况。

利用湿度传感器测量排水法和向上排空气法收集的O2相对湿度变化数据，从而推断两种方法收集的O2干燥情况。

【实验铺垫】

[教师]

课堂上有的同学用排水法收集了一瓶氧气，有的同学用向上排空气法收集了一瓶氧气，哪位同学说说两种方法收集的氧气有什么区别？

[学生1]

排水法收集的氧气比向上排空气法收集的氧气浓度高。

[教师]

还有同学进行补充的吗？

[学生2]

向上排空气法收集的氧气比排水法收集的氧气更干燥，水蒸气含量低。

[教师]

回答得非常好！那么有没有同学可以设计一个实验来验证这两位同学给出的结论。

（学生陷入深思……）

[教师]（介绍氧气传感器和湿度传感器）

同学们，接下来我介绍两种传感器：

氧气传感器，可以测量气体中氧气的浓度。

湿度传感器，可以测量气体的相对湿度。

下面请大家根据老师提供的实验器材和药品，设计实验方案并进行验证。

【实验探究】

1.提出问题：排水法收集的O2和向上排空气法收集的O2有什么不同？

2.猜想假设：（1）用排水法收集的O2浓度比向上排空气法收集的O2浓度高。

（2）用排水法收集的O2水蒸气含量比向上排空气法收集的O2水蒸气含量高。

3.进行实验

（1）实验药品和仪器：KMnO4、试管、单孔橡皮塞、导管、铁架台、集气瓶、棉花、Logger Pro软件、湿度传感器、O2传感器。

（2）设计实验步骤，进行实验：

①打开Logger pro软件，连接好湿度传感器、O2传感器。

②用KMnO4制取氧气，并用向上排空气法收集一瓶氧气，收集的同时，将湿度传感器、O2传感器同时伸入集气瓶中，观察氧气的浓度数值和相对湿度数值的变化，并记录数值。

向上排空气法收集氧气的数据表

③用排水法收集一瓶氧气，收集完毕后将湿度传感器、O2传感器同时伸入集气瓶中，并记录数值。

（3）实验数据记录

（4）解释与结论：

[教师]

根据我们实验的数值，说明了什么呢？

[学生1]

说明排水法收集的氧气比向上排空气法收集的氧气浓度高，更纯净。

而向上排空气法收集的氧气水蒸气含量比较少，更干燥。

[教师]

回答得非常好，还能说明什么呢？大家可以讨论下。

（学生讨论中……）

[学生2]

排水法和向上排空气法都不能收集到100%浓度的氧气。

[教师]

回答得太棒了，不过课后大家还可以再讨论下，你还能得到什么结论？

【教师总结】

通过以上实验，我们成功证明了用排水法收集的O2浓度比向上排空气法收集的O2浓度高，用排水法收集的O2水蒸气含量比向上排空气法收集的O2水蒸气含量高，基本完成了我们实验的目的，同时也真正地感受到数字化实验对我们化学实验的创新起着非常重要的作用，当然也希望同学们升入高中或者大学继续向着自己的梦想去探究，去飞翔。

【实验思考】

化学是一门以实验为基础的学科，对刚开始接触化学的初中学生而言，实验是奇妙的，是能让他们思维活跃、提高学习兴趣的一种催化剂。因此教师应该充分利用化学实验去营造学生学习化学的土壤，提高学生学习化学的兴趣。

但是现阶段课本的实验有限，有时拓展的实验又受到常规的手段限制，无法达到实验目的。而现在是数字化时代，数字化的基础应该尽可能地融入课堂的教学中来，成为学生学习化学的一种载体、一种工具。近几年来，大量的创新实验都用到了数字化实验的各种传感器，也确实体现了它的优势。比如本次探究的实验，对于我们看不见摸不着的气体如何比较浓度，如何比较水蒸气含量，用常规的实验手段感觉难以下手。而湿度传感器、O2传感器的使用，将如此复杂的问题却又简单地解决了，用两组强有力的数据直接说明了问题。数字化实验开阔了学生的视野，也拓展了学生的知识面，因此我认为随着我国经济文化水平的不断发展，数字化的仪器将很快走进每个化学实验室当中去。

（作者单位：安徽省马鞍山市第八中学）