沈新穎

摘 要：“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定”是義務(wù)教育初中階段一個(gè)重要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，各地教材雖有不同，但主要是用紅磷在集氣瓶中燃燒消耗氧氣的方法來(lái)測(cè)定，實(shí)驗(yàn)安全性和準(zhǔn)確性不高，實(shí)驗(yàn)操作也較麻煩，不能滿足課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。針對(duì)上述問(wèn)題，前人已經(jīng)有很多改進(jìn)研究，雖然測(cè)量數(shù)據(jù)有明顯提高，但在操作性、安全性方面還存在一些不足。在前人實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上對(duì)該實(shí)驗(yàn)重新設(shè)計(jì)，借助玻璃注射器獨(dú)有的密封性、可伸縮性、可測(cè)性等特點(diǎn)，改用白磷直接在注射器內(nèi)燃燒來(lái)測(cè)定，實(shí)驗(yàn)可操作性強(qiáng)，安全無(wú)污染，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：氧氣體積分?jǐn)?shù)；玻璃注射器；密封可伸縮性；安全準(zhǔn)確

一、教材實(shí)驗(yàn)解析

（一）教材內(nèi)容

“空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)測(cè)定”是浙教版科學(xué)八年級(jí)下冊(cè)第三章第一節(jié)《空氣》一課中的重要實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)活動(dòng)過(guò)程如下：

1.按教材配圖（圖1）所示裝置，先在集氣瓶里加入少量水，再把剩余的容積用記號(hào)劃成5等分。

2.點(diǎn)燃燃燒匙內(nèi)的紅磷，立即塞緊瓶塞，觀察現(xiàn)象__________。

3.火焰熄滅后，震蕩集氣瓶，打開(kāi)導(dǎo)管上的夾子，出現(xiàn)什么現(xiàn)象__________；瓶?jī)?nèi)水位變化__________；消耗的氣體跟剩下的氣體體積比約為_(kāi)_________。

實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：________。

（二）實(shí)驗(yàn)分析

此實(shí)驗(yàn)一般只做教師課堂演示，即便是教師演示實(shí)驗(yàn)，還有好多實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不易操作的，以及一些不可避免的因素，而出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較大的偏差：

1.刻度劃分困難。由于集氣瓶?jī)?nèi)部空間的不規(guī)則性，集氣瓶加入少量的水后，剩余容積5等分的劃分比較麻煩。在日常教學(xué)中，好多教師由于教學(xué)任務(wù)繁重，為節(jié)約時(shí)間都是憑感覺(jué)估計(jì)著進(jìn)行劃分，作為一個(gè)定量實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)標(biāo)注肯定是不科學(xué)的。當(dāng)然，要較為準(zhǔn)確標(biāo)注刻度則需要借助量筒來(lái)進(jìn)行，相對(duì)而言，這樣標(biāo)注刻度就比較耗時(shí)。

2.實(shí)驗(yàn)時(shí)有污染且偏差大。集氣瓶外點(diǎn)燃紅磷，紅磷在空氣中燃燒會(huì)產(chǎn)生五氧化二磷，雖然量較少，但多少會(huì)污染教室空氣，帶來(lái)一定的安全隱患。實(shí)驗(yàn)要求點(diǎn)燃后立即將紅磷移入集氣瓶，理論上是越快越好，但在實(shí)際操作過(guò)程中由于燃燒匙和橡膠塞、導(dǎo)管相連，總有些拖泥帶水，不夠快速，造成最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大。

3.實(shí)驗(yàn)中有安全隱患。在塞緊瓶塞時(shí)，特別是女教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中往往沒(méi)有控制好瓶塞松緊度，反應(yīng)開(kāi)始階段，紅磷在瓶?jī)?nèi)燃燒加熱空氣，空氣熱膨脹的體積大于燃燒消耗的氧氣體積，使瓶?jī)?nèi)氣壓大于瓶外氣壓，會(huì)出現(xiàn)瓶塞彈出現(xiàn)象，加劇了實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性。同時(shí)在壓緊瓶塞下移的過(guò)程中，集氣瓶?jī)?nèi)的空氣其實(shí)已經(jīng)被壓縮，對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)的測(cè)量也帶來(lái)了干擾。

4.其他影響數(shù)據(jù)測(cè)量的因素：玻璃導(dǎo)管中的空氣不能除去；導(dǎo)管液面高度不相同出現(xiàn)的壓力差等因素都會(huì)影響最終數(shù)據(jù)的測(cè)量。

（三）實(shí)驗(yàn)方案探索

基于上述的一系列問(wèn)題，前人也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和改進(jìn)，通過(guò)資料查閱前人的實(shí)驗(yàn)方案主要有以下一些：

1.方案一和方案二都是針對(duì)“快速塞緊瓶塞”這一環(huán)節(jié)不易操作進(jìn)行了改進(jìn)，紅磷燃燒在密閉的環(huán)境中進(jìn)行，有效避免了紅磷在空氣中燃燒帶來(lái)的污染，實(shí)驗(yàn)后數(shù)據(jù)較改進(jìn)前有了很大的提高，但還是不能避免紅磷燃燒帶來(lái)的瓶?jī)?nèi)氣壓增大帶來(lái)的安全隱患和其他細(xì)節(jié)中的數(shù)據(jù)影響。

2.方案三用注射器中的空氣替代了方案一中的水，可以有效避免水的壓力差帶來(lái)的數(shù)據(jù)影響，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。但在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中磷燃燒初期瓶?jī)?nèi)氣壓增大，還是容易出現(xiàn)橡皮塞彈出等問(wèn)題，且導(dǎo)管中仍有空氣干擾，安全性、準(zhǔn)備性還有待于進(jìn)一步提高。

（四）探索方案總結(jié)

綜合上述實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，要簡(jiǎn)單易操作且相對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)，無(wú)非要做到以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

1.反應(yīng)裝置必須是密閉的，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都保持密閉狀態(tài)；

2.能快速反應(yīng)消耗氧氣，且反應(yīng)易于控制；

3.反應(yīng)裝置要具備密閉狀態(tài)下的可伸縮性，能避免氧化反應(yīng)過(guò)程中裝置內(nèi)氣壓變化帶來(lái)的安全隱患；

4.裝置本身最好具有數(shù)據(jù)讀取功能，方便直接讀數(shù)。

二、本實(shí)驗(yàn)方案

借鑒前人的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，本人利用玻璃注射器巧妙解決了這一系列的問(wèn)題，使實(shí)驗(yàn)更加環(huán)保、安全，可操作性大大增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確，具體方案如下：

（一）實(shí)驗(yàn)原理

本方案實(shí)驗(yàn)原理與教材基本相同，只是將紅磷換成著火點(diǎn)更低的白磷。過(guò)量白磷在封閉的針筒內(nèi)充分燃燒，消耗了空氣中的氧氣，生成五氧化二磷固體。待充分反應(yīng)后冷卻，針筒內(nèi)氣壓減小，注射器活塞向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)室溫氣壓平衡后，減小的體積就是針筒內(nèi)消耗的氧氣的體積。比較消耗的氧氣的體積和針筒內(nèi)原有空氣的體積，從而計(jì)算出空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

（二）實(shí)驗(yàn)器材

白磷、銅片（弧面、曲度與針筒內(nèi)壁相同）、玻璃注射器（100mL，標(biāo)準(zhǔn)4mm口徑）、大燒杯、水槽、鑷子、熱水、冷水等。

（三）實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.取100mL玻璃注射器，去掉金屬針頭，將活塞取出放置在盛水的水槽中，針筒放置在托盤上。

2.用鑷子取略大于米粒的白磷（過(guò)量即可），用吸水紙將其表面的水分吸干后將白磷放置在弧形銅片的中央。用鑷子把裝有白磷的銅片推入針筒底端，使銅片與針筒壁能緊密貼合（便于吸熱和散熱）。

3.安裝密閉注射器。將活塞沾水（保證其良好的密閉性，同時(shí)能減小活塞移動(dòng)時(shí)的阻力）推入針筒，使針筒內(nèi)的空氣體積保持在100mL，并用橡膠塞封堵注射口。密閉注射器后，將注射器固定在托盤支架上，活塞部位要留有空間，保證能正常移動(dòng)。

4.用80℃左右的熱水緩慢沖淋白磷部位的針筒，針筒內(nèi)空氣溫度升高，受熱膨脹，推動(dòng)活塞向外運(yùn)動(dòng)；白磷吸熱達(dá)到著火點(diǎn)被點(diǎn)燃，劇烈反應(yīng)加速空氣膨脹，繼續(xù)推動(dòng)活塞向外運(yùn)動(dòng)。稍后，白磷充分燃燒消耗了針筒內(nèi)的全部氧氣，產(chǎn)生五氧化二磷固體，使針筒內(nèi)氣壓降低，活塞開(kāi)始向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。endprint

5.將注射器轉(zhuǎn)移到水槽上方固定，用冷水沖淋降溫。此時(shí)針筒中剩余氣體冷卻收縮，活塞繼續(xù)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，待活塞不再移動(dòng)后記錄針筒內(nèi)剩余氣體的體積（約為80mL）。

6.數(shù)據(jù)分析和計(jì)算：針筒內(nèi)原有空氣體積100mL，充分反應(yīng)冷卻后體積80mL，說(shuō)明反應(yīng)消耗掉的氧氣約為20mL，最終計(jì)算出空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)約是20%。

7.實(shí)驗(yàn)器材的整理和廢物的無(wú)害化處理。

（四）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

1.該設(shè)計(jì)使用玻璃注射器，取材方便且其活塞可以自由伸縮，安全性高；針筒上標(biāo)注有刻度且材質(zhì)透明，演示實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)過(guò)程能安全直觀呈現(xiàn)給學(xué)生。

2.該設(shè)計(jì)中點(diǎn)燃白磷采用熱水沖淋加熱的方法，方便快捷、安全可控。實(shí)驗(yàn)中的弧形銅片也起到了非常重要的作用：利用銅良好的導(dǎo)熱性，點(diǎn)燃前能快速吸收熱量，幫助升溫，點(diǎn)燃后能快速散失熱量，防止局部高溫炸裂針筒；較大的弧面還能防止燃燒的白磷飛濺到針筒壁，防止白磷高溫燃燒造成針筒破裂。多次的實(shí)驗(yàn)證明，該方案安全可靠。

3.該套實(shí)驗(yàn)裝置（玻璃注射器）活塞移動(dòng)靈敏，刻度標(biāo)注準(zhǔn)確，通過(guò)多次的數(shù)據(jù)測(cè)量，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都非常接近實(shí)際值。教師在演示實(shí)驗(yàn)中，有一個(gè)比較準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或成功的實(shí)驗(yàn)，能為教師后續(xù)的教學(xué)過(guò)程提供理論依據(jù)，同時(shí)也為教學(xué)內(nèi)容的順利講解提供保障。

4.該設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理淺顯易懂，實(shí)驗(yàn)用品廉價(jià)易得，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單安全，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確易讀，因此特別適合在教師指導(dǎo)下的學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)之用，在化學(xué)啟蒙教育初期就可以用這樣的定量實(shí)驗(yàn)來(lái)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（五）實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

1.注射器氣密性良好，必須是正規(guī)廠家生產(chǎn)的硬質(zhì)玻璃材料。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中活塞要保證良好的自由收縮性，活塞必須干凈，無(wú)顆粒物附著；在移動(dòng)過(guò)程中必要時(shí)要加水濕潤(rùn)，保證更好的氣密性和潤(rùn)滑性。

3.白磷屬于?；锲罚昧坎豢蛇^(guò)多，實(shí)驗(yàn)后應(yīng)對(duì)殘?jiān)M(jìn)行有效處理，確保安全，無(wú)污染。

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思考

“測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)”的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，人教版九年級(jí)化學(xué)上冊(cè)第二單元課題1《空氣》和浙教版科學(xué)八年級(jí)下冊(cè)第三章第1節(jié)《空氣》中均采用的是紅磷在集氣瓶中燃燒消耗氧氣間接測(cè)量展開(kāi)教學(xué)。雖然在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性上有一定的偏差，但由于各種偏差原因的存在而使得這個(gè)普通的化學(xué)實(shí)驗(yàn)變得“經(jīng)典”：首先，它給老師和學(xué)生帶來(lái)了充足的思考空間，并能利用已知的科學(xué)知識(shí)加以解釋和說(shuō)明偏差的原因；其次，在分析原因的同時(shí)，也激發(fā)了學(xué)生的想象空間，學(xué)生不斷對(duì)原有實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，從而提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這也恰恰達(dá)到了教材實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的目的，提升了學(xué)生的思維和能力，培養(yǎng)了勇于探索科學(xué)的精神，真正體現(xiàn)了科學(xué)教學(xué)的目的。其實(shí)本人對(duì)上述實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)也是在學(xué)生質(zhì)疑和探索中得到的啟發(fā)，最終打破慣例在針筒中直接點(diǎn)燃白磷來(lái)測(cè)量空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

上述兩種教材所選擇的實(shí)驗(yàn)方案更多關(guān)注學(xué)生思維的發(fā)散和拓展，而本人的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案更多的只是關(guān)注數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。兩種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的有所差異，所以本人的方案，用玻璃注射器來(lái)測(cè)量空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)無(wú)法取代教材實(shí)驗(yàn)方案，它僅僅是對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和延伸。

參考文獻(xiàn)：

[1]李德前.測(cè)定空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)再改進(jìn)[J].化學(xué)教育，2010（6）.

[2]張欣榮，等.簡(jiǎn)便準(zhǔn)確測(cè)定空氣中氧氣含量的方法[J].化學(xué)教育，2010（4）.endprint