测定空气中氧气体积分数实验的两种新装置

江苏省徐州三中云龙实验学校(221000) 魏 海

江苏省徐州市西苑中学(221000) 李德前 张 羿

测定空气中氧气体积分数的实验，一直是初中化学教科书中编排的经典实验。在现行人教版、沪教版、仁爱版、粤教版化学教材中，都是采用燃磷法测定空气中氧气的体积分数，实验装置见图1。

图1 燃磷法测定空气中氧气体积分数的实验装置图

该方法最大的优点是实验进程快，实验现象直观。但是，该实验的常规操作都是将红磷在集气瓶外引燃，再伸入集气瓶内，然后封闭集气瓶；由于橡皮塞封闭集气瓶的操作总是滞后于红磷在集气瓶内的燃烧，导致部分空气受热逸出集气瓶，因此增大了实验误差。红磷被引燃后，为了能尽快将其伸入集气瓶内，并及时封闭集气瓶，操作者常会手忙脚乱。另外，磷在集气瓶外燃烧冒出的白烟扩散到空气中，对环境也有一定的污染。

现行鲁教版化学教材中，采用的是铜氧化法测定空气中氧气的体积分数，实验装置见图2。

图2 铜氧化法测定空气中氧气体积分数的实验装置图

该方法最大的优点是没有污染，而且耗氧彻底。但是，教科书中提供的实验装置组装起来很麻烦，操作较复杂，实验结果也不够直观。

1 对教科书上燃磷法测定空气中氧气体积分数实验的改进

1.1 改进思路

主要是基于 “逆向法”，将红磷 (或白磷)封闭于容器后，再去引燃；以及 “替换法”，用U型管替换集气瓶、小烧杯和导气管，用硫酸铜溶液代替水。

1.2 实验装置

新设计的实验装置见图3(夹持装置略)。

图3 燃磷法测定空气中氧气体积分数实验的改进装置图

1.3 实验用品

20mm×200mm的U型管(含配套的橡皮塞)、短柄燃烧匙(普通燃烧匙截短)、铁架台、药匙、红磷(或白磷)、硫酸铜溶液等。

1.4 实验步骤

(1)取一个20mm×200mm的U型管(总容积约50mL)，向其中注入大约25mL的硫酸铜溶液(此时液面在U型管支管的中下部)，然后将其固定在铁架台上。

(2)将U型管的左支管液面以上的空间5等分(要考虑下一步塞入橡皮塞时所占的容积)，并用记号笔标识刻度为0、1、2、3、4。

(3)取一个与U型管口配套的橡皮塞，在橡皮塞反面插入一个短柄燃烧匙，在燃烧匙里放入足量的红磷(或白磷)。

(4)如图3所示，快速连好整个实验装置，并确保装置的气密性良好(倾斜U型管，如果左、右两个支管内的液面不在同一水平面并形成稳定的高度差，则装置不漏气)。

(5)如果耗氧物使用的是红磷，可以借助于大功率的激光笔，照射红磷使其燃烧。如果耗氧均使用的是白磷则无需加热，因为本实验多在9～10月份进行，当时的气温足以使白磷很快自燃。

在磷刚燃烧的一瞬间，U型管的左支管内封闭的空气受热膨胀，从而引起左支管内的液面下降、右支管内的液面上升。稍后，磷燃烧结束，由于左支管内的氧气被消耗，从而引起左支管内的液面缓慢上升、右支管内的液面缓慢回落。

(6)等到U型管恢复到室温，观察到左支管内的液面最终处于刻度1处，说明空气中氧气的体积分数大约是1/5。

(7)实验结束时，残留的红磷可以用蒸馏水清洗干净，再回收利用；残留的白磷可以直接浸入硫酸铜溶液中，以化解白磷的毒性。

1.5 实验优点

(1)实验在封闭的体系里进行，并用硫酸铜溶液化解白磷的毒性，实验过程几乎没有污染，因此提高了实验的安全性。

(2)使用U型管代替集气瓶、小烧杯和导气管，因此简化了实验装置，实验操作也变得相对简单。

(3)使用硫酸铜溶液代替传统实验使用的水，液面变化清晰，实验现象直观，因此增强了实验的趣味性。

(4)将磷先封闭于容器内再设法引燃，容器内空气不会逸出，确保了实验结果的准确性。

2 对教科书上铜氧化法测定空气中氧气体积分数实验的改进

2.1 改进思路

主要是基于“缩小省略法”，将硬质玻璃管和注射器缩减为全玻璃注射器，以此为基础组合新的简单装置。

2.2 实验装置

新设计的实验装置见图4(夹持装置略)。

2.3 实验用品

50mL硅硼铝材质的全玻璃注射器(耐高温)，小气球，铁架台，酒精灯，药匙，铜粉(或细铜丝)等。

图4 铜氧化法测定空气中氧气体积分数实验的改进装置图

2.4 实验步骤

(1)准备一个50mL的全玻璃注射器，取出里面的玻璃芯杆，然后将适量的铜粉送入注射器针筒内，并平铺在针筒底部偏左的位置；再将玻璃芯杆重新插入针筒内，并使玻璃芯杆的顶端处于50mL刻度处。

(2)在注射器的吸入口上套一个瘪的小气球，然后来回推拉玻璃芯杆几次，如果小气球随之变大、变小，则说明装置不漏气。

(3)将装置固定在铁架台上，用酒精灯外焰预热玻璃针筒，然后对准铜粉加热。在加热铜粉的同时，缓慢推拉玻璃芯杆十几次(每次推拉幅度不要超过30mL刻度线)。可以观察到铜粉逐渐变黑，说明铜与氧气发生了化学反应。

(4)充分反应后停止加热，待注射器针筒冷却至室温，将小气球内残留的气体挤入针筒内(确保小气球与实验前一样瘪)，此时玻璃芯杆最前端大约位于40mL刻度处，说明空气中氧气的体积分数大约是1/5。

2.5 实验优点

(1)实验仪器减少了，实验装置简单了，实验操作简便了，由观察现象到得出结论更加直观、流畅。

(2)该实验装置也可以用于燃磷法测定空气中氧气体积分数的实验。

(3)实验设计蕴含着一些定量数据，有利于培养学生的定量意识和理性思维。

6 小结

总之，对课本上传统的化学实验进行改进，不仅是为了提高实验教学的效益，更关键的是开阔学生的眼界，引发学生的怀疑精神，激发学生的创造热情，从而不断发展学生的科学素养，同时在教学相长中提升化学教师的专业素养。