空气中氧气含量测定仪

◎湖南省汨罗市屈子祠镇范家园初级中学 毛雄 熊永玲

在初中化学课程中，空气中氧气含量的测定实验是学生探究空气成分的重要实验，能帮助学生由感性认识转化为理性认识，打开他们探究化学知识、感受化学魅力的大门。

一、教材实验探究

在人教版化学九年级上册第二单元课题一“空气”中，空气中氧气含量测定实验是：在密封的集气瓶中，通过燃烧红磷发生化学反应消耗空气中的氧气，使得集气瓶内压强减小。由于集气瓶内外存在压强差，水通过导管进入量杯，进入量杯中的水的体积就代表空气中氧气的体积，如图1所示。

图1 教材中测定空气中氧气含量实验的装置图

为了达到实验目的，实验选材需满足以下要求：能在空气中与氧气发生反应且不消耗空气中的其他成分；反应后不生成其他气体；实验中燃烧的红磷需过量。

该实验可以改进的地方有：红磷在外部点燃后再伸进密闭集气瓶，这样做会污染空气；伸入密闭集气瓶中的导管只能起到吸水的作用，并未充分利用；实验过程中，气体受热膨胀易将橡皮塞冲开，实验装置有炸裂的危险；若操作时间把握不准，提早打开开关，会使气体外泄或者导管末端冒泡，影响实验所得数据的准确性。

二、改进后的实验装置

空气中氧气含量测定仪如图2、图3所示，由适用于学生实验的直流安全电源、发热接头、铁架台、自行设计与制作的红磷反应玻璃容器等四部分组成。

图2 装置说明图

图3 空气中氧气含量测定仪实物图

发热接头装置如图4所示，制作过程如下：

1.将两根等长的铜线与燃烧匙插入橡胶塞中，确保塞紧，不漏气；

2.将铜线一端连接直流安全电源，另一端紧连一根特制电阻丝，使铜丝两端形成弯扣，另一根铜丝也按如上步骤操作；

3.将两根铜丝连接电源的一端的电线系紧在弯扣上，并用电胶布包好，确保不漏电；

4.连接电阻丝的一端，需将电阻丝紧紧缠绕在弯扣上，并用老虎钳夹紧，确保不脱落；

5.将电阻丝放在燃烧匙的正中央，整个发热接头伸入球形玻璃容器的中央部位，确保不靠近玻璃壁。

图4 发热接头装置

红磷反应玻璃容器是我们画图设计后，送至四川省的一家玻璃厂定制的，在工厂现场制作模具后用玻璃原料一次性浇筑而成。球形玻璃容器的容积为200 mL，右侧玻璃管外壁有刻度标识，用于记录液面上升与下降的数值。设计时，球形玻璃容器与玻璃管连接部位顺滑，确保了液体流动的顺畅。

三、实验过程

1.准备少量水，将其从玻璃弯管口灌入实验装置，再向水中添加少许高锰酸钾粉末，使溶液呈紫色且不生成其他物质。将实验装置固定在铁架台上，检查其气密性。反应开始前的装置如图5所示。

图5 反应开始前，右侧玻璃管中的水位为初始刻度

2.打开电源开关，电阻丝发热点燃红磷，球形玻璃容器内的空气受热膨胀，右侧玻璃管中的水位上升，如图6所示。

图6 球形玻璃容器内的空气受热膨胀，右侧玻璃管中的水位上升

3.反应完成后关闭电源，右侧玻璃管内水位缓慢下降。

4.待装置冷却后，对比右侧玻璃管的初始刻度和最终刻度，即可计算出球形玻璃容器内红磷燃烧时所消耗的氧气占空气的体积分数，最终刻度如图7所示。

图7 反应结束后，右侧玻璃管中的水位为最终刻度

四、装置改进效果

这款空气中氧气含量测定仪有以下优点。

1.科学环保

本装置让红磷在密闭环境中燃烧，生成的五氧化二磷无法飘散，不仅环保，还保障了师生的身体健康，体现了以人为本的教学理念。

2.新颖独特

本装置结构简单，制造成本低，并且装置从测量、画图、设计模具、浇筑、风干成型，每一步都是我们自主设计完成的，具有创新性和独特性。

3.安全无毒

红磷在球形玻璃容器里有充足的燃烧空间，玻璃内壁不会因燃烧时受热不均而炸裂。当红磷燃烧时，球形玻璃容器内的空气受热膨胀，右侧玻璃管中的水位会上升，有效避免了空气膨胀带来的安全隐患，不会出现教材实验中橡胶塞被冲开、反应容器炸裂的危险。

4.效果直观

使用本装置，学生可直接观察到红磷燃烧时放出的大量白烟、气体受热膨胀的现象，加入了高锰酸钾的紫色溶液能让升降效果更直观、有趣。

5.操作简单

组装好仪器后，教师只需开、关仪器，两步便完成演示。操作极其简单，解放了教师的双手，让教师有更多时间与学生互动。

6.结论明显

玻璃管右侧有刻度标尺，可以直接显示气体体积的变化，如气体膨胀时可以读取所膨胀的体积数，氧气耗尽时可以读取氧气占空气的体积数。

7.学科融合

本套装置既包含了化学学科中物质燃烧、空气中氧气含量等知识，也包含了物理学科中气体压强、液体压强、连通器、电流的热效应等知识点，体现了学科融合的特点，对提升学生的综合素养有很大帮助。