馬志超 伍強

摘要： 闡述精確測量空氣組成的意義，指出現(xiàn)有測量方法的不足之處，改進用食品脫氧劑測定空氣中氧氣含量的方法。采用粗細均勻且長度與內(nèi)徑比值大于100的有機玻璃管作為實驗儀器，通過測定密閉體系中空氣在脫氧前的體積及在脫氧后減少的體積的比值，精確地測定空氣中氧氣含量為20.94%。根據(jù)食品脫氧劑的脫氧效果，分析討論氣體體積測量裝置能精確測量氣體體積和空氣組成的原因。

關(guān)鍵詞： 測定空氣組成; 食品脫氧劑; 實驗改進

文章編號： 10056629（2019）7006603中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

英國學者柏廷頓[1]在1957年版的《化學簡史》中指出，18世紀末，一場關(guān)于測定空氣組成的競賽正在幾個科學家間悄然進行。1775年普里斯特利測出空氣中含有1/5的氧氣，1777年舍勒測出氧氣含量為1/4，1780年拉瓦錫測出了1/6的數(shù)值，1781年英國科學家卡文迪什測定出氧氣含量為20.83%?？ㄎ牡鲜驳臄?shù)據(jù)與現(xiàn)代測量值20.946%已非常接近[2]，同時，卡文迪什還測出空氣中含1/120的惰性氣體，這與1894年瑞利和拉姆齊的測定值也非常相似[3]?？ㄎ牡鲜苍趯嶒炦^程中精益求精的精神是英國工匠精神的體現(xiàn)，他的工作雖然不是首創(chuàng)，但足夠精確之后，量變引起質(zhì)變，使他能夠提前100多年預測出稀有氣體的存在，從另一個角度體現(xiàn)了創(chuàng)新精神。如卡文迪什這樣的精神，使英國在工業(yè)革命中拔得頭籌，一躍成為世界強國。

如何像卡文迪什那樣準確測出空氣中氧氣含量，一直是國內(nèi)從事化學教育的學者們難以解決的問題，例如，張欣榮[4]等用白磷脫氧，并用注射器作為氣體體積測量工具，測出空氣中氧氣含量為21%。但該設(shè)計有以下缺點： 白磷毒性較強，不易作為實驗試劑讓初中生使用;注射器長度與內(nèi)徑比值較小，測量精度低;注射器內(nèi)層活塞與外層空筒間有較強摩擦力，靈敏度較低。王胤琪[5]利用多硫化鈉脫氧，并用倒置在液面上的試管作為氣體體積測量工具，測出空氣中氧氣含量為20.5%。但多硫化鈉制備較為繁瑣，且有一定毒性，用試管作測量氣體體積的儀器精確度也不夠高。徐泓[6]利用食品脫氧劑在密閉的集氣瓶中脫氧，并用壓強傳感器對瓶中脫氧前后氣壓變化進行測定，從而計算出空氣中氧氣含量為20.6%。但徐泓老師在測定前，為了增強脫氧效果，將食品脫氧劑用蒸餾水潤濕。食品脫氧劑潤濕后會迅速放熱，使集氣瓶中空氣溫度升高，從而使瓶中壓強增大，對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾。

依據(jù)以上文獻可知，白磷、多硫化鈉和食品脫氧劑的脫氧效果較好，而食品脫氧劑的毒性最小，故本實驗選用食品脫氧劑進行脫氧最為適宜。注射器和試管作為體積測量儀器，精確度太低，不宜作為精密量器，壓強傳感器雖然是數(shù)字化儀器，但精度與試管相差不大，因此需要設(shè)計一種新的精密量器來測量氣體體積。該測量儀器應(yīng)該具有較強的靈敏度和較高的測量精度。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

不銹鋼直尺（量程600mm）、市售有機玻璃管（內(nèi)徑4mm，外徑6mm，長600mm）、5mL注射器、橡皮塞（1mL注射器上的橡皮活塞）、剪刀、小刀

市售食品脫氧劑（每小袋1.5g，額定吸氧量30mL，適用空氣量150mL）、蒸餾水

1.2 實驗原理

市售食品脫氧劑的主要成分是活性鐵粉，利用鐵的吸氧腐蝕可以除去氧氣[7]，而且只要空氣含有少量水分，該反應(yīng)就可以迅速發(fā)生。

在一定條件下，測定密閉體系中空氣脫氧前的體積與脫氧后減少的體積的比值，就可以測出空氣中氧氣的含量。

常見的氣體體積測量儀器，如注射器等的長度與內(nèi)徑的比值一般小于10，這導致測量結(jié)果的精度不高。本實驗采用經(jīng)過現(xiàn)代精密儀器切削，粗細均勻，且長度與內(nèi)徑比值大于100的有機玻璃管作為實驗儀器，能極大地提高測量精度。

1.3 實驗操作步驟

取一根在空氣中久置的有機玻璃管，將一端用橡皮塞密封，并將未封閉的一端向上放置。將一大包真空包裝的食品脫氧劑開封，取一小袋，在袋角剪一個小口，使小口孔徑略小于有機玻璃管內(nèi)徑，使袋口對準有機玻璃管管口，將粉末迅速倒入有機玻璃管中，并立即用一個裝有蒸餾水的注射器向管口注入一滴水，將有機玻璃管密封。用小刀在有機玻璃管外壁作一個記號，記下水滴下端的位置，標為A點。用手指輕輕彈動有機玻璃管底部，使食品脫氧劑粉末分布得均勻而緊密，用小刀在有機玻璃管外壁食品脫氧劑的最上端處作記號，標為O點。平放有機玻璃管，如圖1所示。

然后水平滾動有機玻璃管，使食品脫氧劑粉末平鋪在有機玻璃管中靠近橡皮塞的一側(cè)，以增大食品脫氧劑與空氣的接觸面積。可以觀察到水滴從A點向O點緩慢地移動，10min后，水滴移動速度變得非常緩慢，20min后，水滴完全停止移動。用小刀在有機玻璃管外壁作一個記號，記下水滴的位置，標為B點，如圖2所示。

用不銹鋼直尺測量出AO段的長度l1， AB段的長度l2。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果

如表1所示。進行了3次實驗，測定結(jié)果在20.94%左右，與維基百科[8]提供的數(shù)據(jù)20.946%基本吻合。

2.2 對脫氧劑效果的分析

由實驗結(jié)果可知，本實驗選用的食品脫氧劑吸氧效果較好，幾乎將取樣空氣中的氧氣完全吸收，原因有以下幾點： 第一，該食品脫氧劑使用前為真空包裝，其脫氧性能不會因為經(jīng)歷了存儲、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)而降低。第二，每小袋食品脫氧劑最多可吸收約30mL氧氣，而取樣空氣中只含有約1.4mL氧氣，脫氧劑遠遠過量，足以將氧氣完全吸收。第三，由于市售食品脫氧劑一般會放在食品包裝袋中使用，并不需要潤濕即可迅速吸氧，因此，本設(shè)計并沒有使食品脫氧劑與水直接接觸，避免了食品脫氧劑遇水后迅速放熱產(chǎn)生的影響。

2.3 對氣體體積測量儀器的討論

由于本實驗使用的有機玻璃管粗細均勻，各處橫截面積均相等，因此脫氧前空氣體積與脫氧后空氣減少的體積之比等于AO段的長度l1與AB段的長度l2之比。

本實驗在測量時，食品脫氧劑粉末間的空氣所占體積沒有被計入。這是因為，首先與取樣空氣相比，這部分空氣的體積很小，對實驗結(jié)果影響不大。其次，食品脫氧劑在倒入有機玻璃管之前，并不是處于真空狀態(tài)下，其粉末間隙中已經(jīng)充滿了被脫去氧氣的空氣，這些空氣大部分都隨著粉末一起被倒入管中。由于這些空氣已被脫去氧氣，在實驗過程中體積不會減小，因此不會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

使用液封法密封樣品空氣，能極大增加裝置的靈敏度，即使管中有細微的壓強變化，液滴也會及時移動。使用小刀在有機玻璃管外壁作記號，?能得到比記號筆更細的線條，用直尺測量時，有利于得到更為準確的讀數(shù)。

3 結(jié)語

雖然本設(shè)計的測量精度較高，但所使用的設(shè)備廉價易得，無毒無害，操作簡單，因此，適合于初中學生進行操作。經(jīng)過本實驗的操作，能激發(fā)學生精益求精的工匠精神，讓他們明白，得到精確的結(jié)論靠的不僅僅是高科技的儀器，更重要的是本著求實嚴謹?shù)膽B(tài)度去選擇正確的實驗方法。

參考文獻：

[1]柏廷頓. 胡作玄譯. 化學簡史[M]. 北京： 中國人民大學出版社， 2010： 83～95.

[2][8]Wikipedia. Atmosphere of Earth [EB/OL]. [20180404]（20180404）. https：//en. wikipedia. org/wiki/Atmosphere_of_Earth.

[3]沃爾夫. 周昌忠， 苗以順， 毛榮運譯. 十八世紀科學技術(shù)和哲學史[M]. 北京： 商務(wù)印書館， 2009： 450～451.

[4]張欣榮， 王彥昌， 楊承印. 簡便、準確測定空氣中含氧量的方法[J]. 化學教育， 2010， 31（4）： 74.

[5]王胤琪. 測定空氣中氧氣含量的環(huán)保創(chuàng)新法[J]. 化學教育， 2011， 32（11）： 67～68.

[6][7]徐泓. 利用“食品脫氧劑”測定空氣中氧氣含量的系列設(shè)計[J]. 化學教育， 2010， 32（11）： 71～72.