对燃烧法测定氧气含量实验的再认识

陆伟生

[摘 要]在燃烧法测定空气中氧气含量的实验中，我们经常会分析哪些因素会导致氧气测量结果偏小。其实，还存在着一个导致氧气测量结果偏大的因素，那就是将燃烧物的火焰移入集气瓶时，火焰的上方存在一定量的“热空气团”，这些“热空气团”处于高温膨胀状态，当火焰移入容器熄灭后，这部分“热空气团”就会冷却收缩，造成瓶内气压变小，导致氧气含量的测量结果偏大。这个因素比较隐蔽，很多时候会被忽略或误判。

[关键词]热空气团;燃烧法;氧气含量;测量结果;偏大

[中图分类号]    G633.8        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）35-0086-02

一、问题的来源

2020年上海市“空中课堂”六年级科学第五单元《空气的组成②》一课中，教师在讲授空气中氧气的比例时，播放了一个演示实验（下称实验一）：将一支小蜡烛置于一小盘中，小盘浮于盛有水的大盘中央。点燃蜡烛后，用一个玻璃杯倒扣蜡烛，一会儿后，蜡烛的火焰熄灭了，随后有较多的水进入玻璃杯（如图1）。

接着，教师讲道：蜡烛燃烧消耗掉杯中氧气，水面上升的体积大致相当于杯中原有氧气的体积。

但这样的结论从化学原理来分析是不被认可的。具体分析如下：蜡烛的主要成分是石蜡，石蜡是从石油的含蜡馏分经冷榨或溶剂脱蜡而制得的，是几种高级烷烃的混合物，主要是正二十二烷（C22H46）和正二十八烷（C28H58），含碳元素约85%，含氢元素约14%。根据反应原理，少部分氧气与氢元素结合生成水，大部分氧气与碳元素结合生成二氧化碳，这会补充氧气所消耗的体积，杯子内的气压是不会明显变小的，也就是火焰熄灭后，按理水是不会进入杯子内的。但事实胜于雄辩，火焰熄灭后，几乎是同时，水确实进入了杯子内，而且量也不少，约占杯子容积的五分之一，这到底是什么原因呢？

笔者当时猜想的原因是，反应生成的二氧化碳溶于水中，造成杯子内气压减少。但笔者用石灰水替代水重复该实验时，火焰熄灭后，石灰水几乎不变浑浊，水进入杯子的现象也不变。从现象来分析，火焰熄灭的同时，水就立即进入杯子，这么短的时间内，杯内的二氧化碳是来不及溶解于水中的。

经过更多的思考與分析，笔者认为，蜡烛火焰熄灭后，水进入杯中的真正原因是蜡烛火焰上方的“热空气团”（如图2）造成的。这一团热空气温度较高，当玻璃杯扣到蜡烛火焰上方导致火焰熄灭后，它就会冷却收缩，造成杯子内气压变小，因而导致水进入杯中。因此，水不是因为氧气的减少而进入杯中的。

以上的分析只是推理，可不可以通过实验来证明呢？

二、实验与探究

笔者做了探究实验二，具体如下：

采用教材中的经典装置（如图3）进行实验，只是将红磷用蜡烛代替。要确保操作规范准确，特别要注意当火焰移入集气瓶时要做到迅速、准确，确保不会因为双孔塞塞入过慢而导致氧气含量的测量结果偏高。集气瓶的容积为178毫升（塞完双孔塞后集气瓶的容积为169毫升，实验用数据以此为依据）。实验时，蜡烛火焰熄灭后稍冷却，有水进入集气瓶中，倒出进入瓶内的水测其体积。实验重复三次，测得水的体积的平均值为 19毫升。而且火焰一熄灭，水马上进入瓶中，与蜡烛在盘中燃烧（实验一）的现象如出一辙。但实验二中火焰熄灭后，进入的水的体积明显不如实验一进得多。笔者以为这是因为实验一中的蜡烛火焰是静止的，上方积累的“热空气团”较多，而实验二中的蜡烛火焰是移入集气瓶中的，在移动过程中“热空气团”有散失，故火焰熄灭后进入瓶中的水不多。

为了验证以上的推理，笔者做了探究实验三、探究实验四，分别用木条、木炭作为燃料替代红磷进行实验，装置与实验二相同，每一个实验重复三次，集气瓶（塞好双孔橡胶塞后）的容积均为169毫升。火焰熄灭后水进入的体积数据如表1所示。

附加现象一：当木条火焰较大时，进入瓶中的水要比火焰较小时量要大，两者相差较大。

附加现象二：木炭烧得红热后放入集气瓶中，立即塞紧双孔塞，一段时间内水不会进入，约3分钟后，水才缓缓地进入瓶中。

按照化学教材上的经典说法，燃烧法测量空气中氧气的比例时选用红磷的原因是，红磷燃烧后的生成物是五氧化二磷，是一种固体，故火焰熄灭后会造成集气瓶内气压变小，水在外界大气压的作用下进入集气瓶。

笔者之所以选择木条和木炭作为实验对照用燃料，是因为这两种物质根据教材实验原理，是不能用于燃烧法测量空气中的氧气含量实验的，原因是它们燃烧后会产生同体积的二氧化碳，填补了所消耗的氧气体积，瓶内气压不会变小。但事实上，火焰熄灭后，仍有一定量的水会进入集气瓶内，最多的为木条实验，会进入18%左右（31.3/169），可见确实是火焰上方的“热空气团”的作用使然。

那么使用红磷燃烧法测量空气中的氧气含量时，这种火焰上方的“热空气团”效应会存在吗？答案是肯定的。

为此，笔者也精确地做了红磷燃烧实验（实验五），实验数据如表2所示。

实验分析：集气瓶容积为169毫升，其五分之一约为34毫升，但事实上进入集气瓶的水约41.7毫升，超过理论值7毫升多。由此证明，用红磷燃烧法做此实验时，确实存在“热空气团”效应，而且影响不小。我们平时实验时也有所发现，即火焰熄灭后，进入的水不是少了而是多了，常常无法解释，也容易被忽略，在此得以证明。

三、结论与应用

这样看来，燃烧法测量空气中的氧气含量时，影响实验结果的因素较多，而平时我们只分析了实验结果偏小的原因，不外乎：气密性不良、红磷不够、集气瓶未冷却、导管内留有水柱等。随着传感器在实验中的广泛应用与发展，发现红磷燃烧实验中火焰熄灭后，集气瓶中的氧气并没有完全耗尽，而实验最后剩余的氧气含量约为7%，相当于原有的氧气只消耗了67%剩下了约33%。这可是个不小的数据，但为什么我们一直没发现氧气的测量结果偏小呢？原因就在这儿，该实验还存在着氧气测量结果偏大的因素，即火焰上方的“热空气团”效应，当两者同时产生作用时，常常相互掩盖，使两者均不容易被发现。

对燃烧法测量氧气含量实验的全面认识，也有助于解答相关问题，如下面的习题：

如图4所示，等体积的甲、乙两集气瓶内充满空气，燃烧匙内分别盛有过量的红磷和硫粉，点燃它们充分反应后，冷却至室温，打开弹簧夹，出现的现象是（ ）。

A.甲瓶中有水流入，而乙瓶中没有水流入

B.甲瓶中没有水流入，而乙瓶中有水流入

C.甲、乙瓶中均有水流入

D.甲、乙瓶中均无水流入

从以上的分析不难看出答案应该是C，但有部分教师想当然地认为答案是A。可见，有些平时想象中不可能出现的结果，有时候也会存在，只不过被我们忽略了，如果还有人将此作为结论来考学生，实在有一点误人子弟了。

真没想到，一个做了多年的经典实验，居然还有我们没有考虑到的因素，甚至还会颠覆我们对原实验的认识。正是验证了著名化学家付鹰说的话“化学是实验的科学，只有实验才是最高法庭”，可见实验可以对观点做出最公正的判决。

[   参   考   文   献   ]

[1]  陈学东，严西平.红磷、白磷在密闭容器中燃烧的耗氧量探究[J].化学教与学，2014（7）：90-91.

[2]  王祖浩，王磊.义务教育教科书化学：上册[M].上海：上海教育出版社，2013：13-14.

[3]  张贞，杨承印.空气中氧气含量测定实验原理探析[J].中学化学教学参考，2010（11）：36-37.

（责任编辑 罗 艳）