張成生

（金華市金東區(qū)教育體育局教育中心 浙江 金華 321015）

“測(cè)定空氣中氧氣含量”這一實(shí)驗(yàn)除了學(xué)科知識(shí)內(nèi)容學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練之外，還蘊(yùn)含豐富的科學(xué)思想和方法，比如進(jìn)行反應(yīng)原理的分析、材料的選擇，以及模型建構(gòu)、誤差原因分析以及如何改進(jìn)減小誤差等科學(xué)方法內(nèi)容，對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)有著重要作用。是初中化學(xué)不可或缺的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。

浙教版《科學(xué)》的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，利用紅磷燃燒除氧形成負(fù)壓，以水替代原瓶?jī)?nèi)氧氣進(jìn)行測(cè)定。先在集氣瓶?jī)?nèi)加入少量水，再把剩余部分分成5等份，用止水夾夾緊膠皮管，點(diǎn)燃燃燒匙內(nèi)的紅磷，立即伸入瓶中并塞緊瓶塞，待火焰熄滅并冷卻后，打開(kāi)止水夾，觀察現(xiàn)象，得出結(jié)論。

看似簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，在方案中卻存在“先天”不足，實(shí)際操作很難達(dá)到預(yù)期效果，甚至經(jīng)常出現(xiàn)不成功的情況，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展和教學(xué)。該實(shí)驗(yàn)主要不足：①紅磷燃燒時(shí)耗氧不完全，氧氣殘留高，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏小。②教材實(shí)驗(yàn)采用瓶外點(diǎn)燃法，操作過(guò)程會(huì)導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)氣體被加熱膨脹溢出而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大，且紅磷瓶外點(diǎn)燃有污染，存在安全隱患。③在集氣瓶上進(jìn)行體積等分劃線比較粗糙，會(huì)導(dǎo)致較大的實(shí)驗(yàn)誤差。④剩余氣體需要較長(zhǎng)時(shí)間冷卻才能得到較滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間偏長(zhǎng)影響課堂教學(xué)。

針對(duì)上述問(wèn)題，已有較多同行對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)研究和改進(jìn)。陸麗萍（2022年）［1］對(duì)各種改進(jìn)方法進(jìn)行了研究，認(rèn)為改進(jìn)該實(shí)驗(yàn)的角度主要在點(diǎn)燃方式、耗氧物質(zhì)、度量工具等三個(gè)角度進(jìn)行分析，由此進(jìn)行了針對(duì)性改進(jìn)。除此之外，唐祥梅（2022年）［2］、金隆等人（2021年）［3］將耗氧藥品的點(diǎn)燃方式由瓶外改成內(nèi)置點(diǎn)燃，以此減小操作中的誤差。許麗丹等人（2020年）［4］從耗氧藥品角度進(jìn)行綜述，分析了紅磷等耗氧藥品使用的優(yōu)劣，對(duì)藥品的選用有一定的幫助；林旺金與張惠嬌兩人（2018年）［5］采用白磷加氫氧化鈉溶液吸收的方式增加了準(zhǔn)確度；程星燦（2022年）［6］用鐵粉吸氧劑；顏石珍與夏駿等人（2022年）［7］用暖寶寶粉末進(jìn)行脫氧均對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。從以上改進(jìn)可以發(fā)現(xiàn)，暖寶寶等鐵系脫氧劑氧氣殘留量低于0.1%，脫氧效果好，準(zhǔn)確度高，且同時(shí)解決點(diǎn)燃問(wèn)題，是一種不錯(cuò)的選擇。但與紅磷相比，鐵系脫氧劑缺少明顯的反應(yīng)現(xiàn)象，并由于平時(shí)使用中，鐵系脫氧劑給人有脫氧緩慢的不足。其原因是在脫氧劑使用過(guò)程中，與氧氣接觸面少，且用量不多（一般為預(yù)估所脫氧氣質(zhì)量的3 倍），在實(shí)驗(yàn)中，可以采用增大接觸面積的方式來(lái)縮短反應(yīng)時(shí)間。并且在小體積中使用，有放熱改變溫度但也能很快恢復(fù)。

而對(duì)于度量工具的改進(jìn)，除了陸麗萍老師的綜述之外，還有阮芬芬（2018年）［8］的量筒和氣壓傳感器，計(jì)量上更加精確，但器材不夠普及且過(guò)程復(fù)雜；而金隆、顏石珍、林旺金等人則均用注射器來(lái)改進(jìn)度量工具，但也只是利用注射器帶有刻度的外筒作為量具，而不是利用注射活塞的移動(dòng)直接測(cè)量。不管裝置如何改進(jìn)，都是一個(gè)一定體積用于反應(yīng)的封閉系統(tǒng)再加一個(gè)轉(zhuǎn)換成能顯示體積的裝置組合。注射器是自帶刻度氣密性良好的封閉系統(tǒng)，并且可直接通過(guò)能移動(dòng)的活塞讀出體積變化裝置。用一段輸液塑料導(dǎo)管連接兩個(gè)注射器，既是封閉系統(tǒng)且能精確顯示體積變化。在使用鐵系脫氧劑時(shí)，注射器也可以作為反應(yīng)容器，同時(shí)是一個(gè)精確的度量工具。

基于以上思考可知，用暖寶寶粉末等鐵系脫氧劑作為除氧物質(zhì)，以注射器作為反應(yīng)容器與度量工具，是一個(gè)可以適用于測(cè)量空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的最佳組合。具體的改進(jìn)與操作如下：

一、實(shí)驗(yàn)器材

注射器（50 mL）兩支（可分為甲和乙）、1.5 cm 左右塑料輸液導(dǎo)管一截、暖寶寶粉末若干。

二、實(shí)驗(yàn)操作

1.剪開(kāi)暖寶寶包裝，拉開(kāi)注射器（甲）活塞后倒入約5 mL（過(guò)量）的暖寶寶粉末，用活塞壓實(shí)，如圖2所示。將另一注射器（乙）接上輸液導(dǎo)管，活塞拉到50 mL刻度處待用，導(dǎo)管中可塞入一團(tuán)棉花，起到阻擋粉末作用。

為節(jié)約課堂教學(xué)時(shí)間，以上兩項(xiàng)操作均可在課前準(zhǔn)備。如果是課前準(zhǔn)備，注射器（甲）可在壓實(shí)粉末后用橡皮泥密封注射器口以防止粉末氧化失效。

2.將注射器（乙）活塞拉到刻度為50 mL 處，然后用輸液管接好兩個(gè)注射器，如圖3。拉動(dòng)注射器（甲）或推動(dòng)注射器（乙）的活塞，使注射器（乙）中空氣均進(jìn)入（甲）中為止。

3.搖晃注射器1 分鐘左右，使空氣與脫氧劑充分接觸反應(yīng)，加快氧氣消耗。然后將注射器（甲）的活塞壓回原處，觀察注射器（乙）中活塞的位置，先后兩次活塞位置差即為所消耗氧氣的體積，并依此計(jì)算氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

多次實(shí)驗(yàn)表明，用此方法得到的氧氣體積分?jǐn)?shù)基本能達(dá)到20%，甚至可達(dá)到21%，非常接近真實(shí)數(shù)值。

三、改進(jìn)特色

用兩個(gè)注射器連接形成一個(gè)密封空間，自由移動(dòng)的活塞可顯化并測(cè)量體積變化；其中一個(gè)注射器裝藥品作為反應(yīng)容器，反應(yīng)前后均將藥品壓實(shí)，可不計(jì)體積；另一個(gè)注射器作量具，自帶的刻度和可移動(dòng)的活塞使測(cè)得數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)；而鐵系脫氧劑不需要燃燒，正好解決注射器不耐高溫的不足，且脫氧較完全。

1.裝置簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便。不需要進(jìn)行復(fù)雜連接和再加工，只用一截輸液管將兩個(gè)注射器進(jìn)行連接就行?？勺寣W(xué)生動(dòng)手操作，分組準(zhǔn)備過(guò)程簡(jiǎn)便，有利于開(kāi)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)。

2.效果明顯，結(jié)果準(zhǔn)確。暖寶寶與氧氣發(fā)生反應(yīng)后，注射器內(nèi)氣壓減小，活塞在大氣壓的作用下往內(nèi)移動(dòng)，減小的容積就是消耗氧氣的體積，可直接通過(guò)刻度讀出，讀數(shù)方便，準(zhǔn)確度大。演示實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)投屏觀察，學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果可取平均值，更科學(xué)。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)成功率高，更有利于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，降低學(xué)習(xí)難度。

3.成本低廉，安全方便。該實(shí)驗(yàn)器材簡(jiǎn)單、藥品易得，成本低廉。實(shí)驗(yàn)耗材為暖寶寶，班級(jí)分組實(shí)驗(yàn)1 至2包足夠，注射器可重復(fù)使用，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不用點(diǎn)燃操作，不產(chǎn)生污染氣體，安全方便。

當(dāng)然，此改進(jìn)也還存在一些不足：如注射器活塞與注射筒之間的摩擦?xí)?duì)體積測(cè)量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定的影響；另外兩注射器連接內(nèi)部會(huì)有極少量空氣，也會(huì)影響精確度；另外，學(xué)生在搖晃操作中，連接導(dǎo)管的脫落也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)然，在實(shí)際教學(xué)中，這些可以作為學(xué)生進(jìn)一步改進(jìn)或思考的拓展素材。

實(shí)驗(yàn)既是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的途徑，也是教師教學(xué)的重要工具，將更簡(jiǎn)單精確的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)用于課堂，無(wú)論是對(duì)教還是學(xué)，都大有裨益。