化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)實(shí)驗(yàn)是重要的組成部分，它不僅是洞察自然界的窗口，也是化學(xué)學(xué)習(xí)與科學(xué)探究的基本方式。本篇文章主要針對(duì)人教版“空氣中氧氣含量測(cè)定”的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，該實(shí)驗(yàn)在教師演示過程中效果不佳，步驟繁雜，以及產(chǎn)物五氧化二磷會(huì)造成空氣污染?，F(xiàn)以焦性沒食子酸的堿性溶液替代紅磷進(jìn)行氧氣含量測(cè)定，可以彌補(bǔ)教材實(shí)驗(yàn)的不足，且該實(shí)驗(yàn)還遷移至常規(guī)氣體制備與噴泉現(xiàn)象相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。這符合新課標(biāo)的要求，重視開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，用以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

人教版的教材在九年級(jí)上冊(cè)出現(xiàn)有關(guān)于空氣中氧氣含量的測(cè)定的實(shí)驗(yàn)，是初中第一個(gè)定量實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)?zāi)芤龑?dǎo)學(xué)生初步了解測(cè)定混合物中某物質(zhì)的一般思路和方法，從化學(xué)視角研究物質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)是通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中獲取證據(jù)，基于證據(jù)得出空氣中氧氣約占1/5體積的結(jié)論，進(jìn)一步得出空氣是一種混合物。在教學(xué)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)一步感受像空氣這種無形的物質(zhì)的存在，與此同時(shí)引入純凈物和混合物的概念，認(rèn)識(shí)空氣的組成并進(jìn)一步了解空氣的組成。

一、教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）教材的裝置和原理

人教版中有關(guān)于圖1的實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：第一步：在大小合適的集氣瓶?jī)?nèi)加入少量水，并將水面上方做上標(biāo)記空間分為5等份。用止水夾夾緊膠皮管，防止漏氣，在集氣瓶口把燃燒匙內(nèi)的紅磷點(diǎn)燃后，迅速伸入集氣瓶中并把橡膠塞塞緊，防止漏氣，觀察集氣瓶?jī)?nèi)紅磷燃燒的現(xiàn)象并記錄。紅磷熄滅后等待其冷卻，打開止水夾，仔細(xì)觀察集氣瓶中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及水位的變化情況。由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以得出結(jié)論：氧氣約占空氣體積的1/5，且空氣的組成不是只有氧氣，還有其他組成成分。

■

圖1 測(cè)定空氣中氧氣含量的教材裝置

（二）教材實(shí)驗(yàn)的不足

1.紅磷燃燒的產(chǎn)物五氧化二磷有毒，反應(yīng)開始時(shí)需要在外部點(diǎn)燃紅磷再立即伸入瓶中，不可避免白煙逸出，污染空氣。具有毒性的白煙在被人體吸入一定量后就能引起中毒。此外，實(shí)驗(yàn)的操作環(huán)境要求也比較高，需借助通風(fēng)櫥來操作實(shí)驗(yàn)，所以在教室演示實(shí)驗(yàn)不方便，也不安全。有將紅磷改為白磷，并借助激光或放大鏡聚光引燃白磷的設(shè)計(jì)方案，但白磷的毒性更強(qiáng)，能自燃，現(xiàn)在大多實(shí)驗(yàn)室都不采購(gòu)，該方法不宜推廣。

2.燃燒結(jié)束后冷卻的時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于正常的教學(xué)秩序也會(huì)受影響。

3.實(shí)驗(yàn)操作步驟不僅多而且雜，再者對(duì)裝置的氣密性要求高，裝置氣密性不好或操作不當(dāng)都可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗或產(chǎn)生較大誤差。

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

（一）實(shí)驗(yàn)器材以及藥品

圖2為塑料洗瓶、橡膠管、玻璃導(dǎo)管、彈簧夾、燒杯、紙槽、焦性沒食子酸、氫氧化鈉溶液、蒸餾水等。

■

圖2

（二）實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)利用焦性沒食子酸堿性溶液來吸收空氣中的氧氣，引起密閉容器內(nèi)氣體壓強(qiáng)減小，燒杯中的水被吸入容器內(nèi)，吸入水的體積等于消耗氧氣的體積。根據(jù)教材實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)氣密性存在的不足，在裝置上尋找替代的裝置，在裝置上把常規(guī)的利用雙孔橡膠塞活塞塞緊于集氣瓶中用以測(cè)定空氣中氧氣含量的裝置替換成塑料材質(zhì)的洗氣瓶，洗氣瓶都帶有尖嘴部分，可以直接與橡膠管連接，而洗氣瓶的螺旋紋的瓶塞口保證了裝置瓶口的氣密性。

（三）實(shí)驗(yàn)過程

■

圖3

■

圖4

■

圖5

（1）如圖3所示，往本身就有標(biāo)記刻度的塑料洗瓶?jī)?nèi)加入約50 mL10％的氫氧化鈉溶液和約3 g的焦性沒食子酸粉末，關(guān)閉止水夾，蓋上瓶蓋并旋緊。

（2）如圖4所示，不斷振蕩塑料洗瓶，直至不再發(fā)生更大程度形變且等溶液冷卻到室溫時(shí)，將導(dǎo)管插入裝有不少于200 mL水的燒杯中。

（3）如圖5所示，打開止水夾，燒杯中的水吸入塑料洗瓶中，記錄液面上升的位置，根據(jù)進(jìn)入的水的液面上升的體積計(jì)算相對(duì)于空氣體積的占比。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：利用公式O2%=■×100%可估算出氧氣相對(duì)于空氣的占比。

（四）數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)按照步驟進(jìn)行操作，按順序加入約3 g焦性沒食子酸和50 mL10%的氫氧化鈉溶液，關(guān)閉止水夾以及旋緊塑料瓶塞，觀察讀數(shù)作為V1，此時(shí)可以得出裝置中的空氣含量為瓶身的總體積525 mL減去V1，下一步震蕩塑料瓶約為1分鐘后冷卻至室溫，打開止水夾，等液面上升到不再上升時(shí)觀察讀數(shù)，作為V2，此時(shí)可以通過V2-V1得出氧氣的體積，利用公式O2%=■×100%進(jìn)行計(jì)算，實(shí)驗(yàn)平行操作3次，最終取平均值。具體數(shù)值從表1可以看到每次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是接近21%，而且對(duì)于教師在課堂上進(jìn)行讀數(shù)和計(jì)算都方便。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

■

（五）焦性沒食子酸堿性溶液對(duì)氧氣的吸收率

試劑方面選用焦性沒食子酸用作藥品主要基于其在常溫下容易被氧化，特別是在堿性溶液中，對(duì)氧氣的吸收率很高。焦性沒食子酸是一種白色固體，易被氧化，也是一種多取代的芳基化合物，分子式為C6H6O3，常應(yīng)用于制備金屬膠狀溶液，皮革著色，毛皮毛發(fā)等的染色，蝕刻等；并可用作電影膠片的顯影劑、紅外線照相熱敏劑；在醫(yī)療中以及染料使用制備過程中常被用作中間體以及分析用試劑等。在可視化的儀器選擇方面，優(yōu)選傳感器技術(shù)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)時(shí)觀測(cè)。在探究物質(zhì)的性質(zhì)及其變化的過程中經(jīng)常遇到反應(yīng)無明顯現(xiàn)象的情況，如吸收氧氣的過程、酸與堿的反應(yīng)等，我們應(yīng)該結(jié)合化學(xué)學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)揚(yáng)長(zhǎng)避短，結(jié)合現(xiàn)有的更新的現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行課堂展示?，F(xiàn)代科學(xué)希望在教學(xué)中能夠更加直觀地讓學(xué)生感知實(shí)驗(yàn)過程中看不見摸不著的有關(guān)于氣體的吸收過程視覺化，所以我們準(zhǔn)備使用傳感器。傳感器技術(shù)是一種與實(shí)驗(yàn)以及科學(xué)相關(guān)的實(shí)用技術(shù)，為了進(jìn)一步說明焦性沒食子酸對(duì)氧氣的吸收率，采用氧氣傳感器對(duì)氧氣含量進(jìn)行檢測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化。自動(dòng)測(cè)量氧氣濃度需要一個(gè)完全集成的氧氣傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常是由一個(gè)探頭、一個(gè)控制器和計(jì)算機(jī)接口組成，操作過程中可以實(shí)時(shí)觀察到有關(guān)于氧氣濃度和時(shí)間的曲線變化。在這個(gè)過程中通過曲線上數(shù)據(jù)連續(xù)變化的測(cè)量，使實(shí)驗(yàn)過程從看不見摸不著的觀察狀態(tài)變?yōu)榭捎^測(cè)的狀態(tài)。有了質(zhì)的飛躍，從“定性”分析，走向“定量”分析。有關(guān)于以“空氣中氧氣含量測(cè)定”的實(shí)驗(yàn)為教學(xué)主題的內(nèi)容，進(jìn)行可視化的傳感器技術(shù)的有效探究，有利于學(xué)生的發(fā)展，且能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。利用這個(gè)手段進(jìn)行定量分析，從側(cè)面說明此實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率高的原因。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)明直觀，我們會(huì)以圖像的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合已有的經(jīng)驗(yàn)和將要經(jīng)歷的社會(huì)生活來學(xué)習(xí)化學(xué)的原理和方法，形成化學(xué)學(xué)科的核心觀念。如圖6和圖7，圖6是氧氣傳感器在檢測(cè)塑料瓶中氧氣的含量的片段截取，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為氧氣含量；圖7是3組平行數(shù)據(jù)中第1組最終氧氣含量的顯示數(shù)值。此過程中，學(xué)生可以直觀地看到氧氣濃度的下降，以及最終用焦性沒食子酸消耗氧氣的余量為1.3%。我們通過這個(gè)數(shù)值也可以知道焦性沒食子酸堿性溶液用來吸收空氣中的氧氣含量精確度高。

■

圖6 圖7

（六）實(shí)驗(yàn)拓展與遷移

1.本實(shí)驗(yàn)的裝置氣密性良好可以作為常用氣體的制備，如氫氣、二氧化碳、氧氣等。

2.在洗氣瓶的內(nèi)部安裝一根玻璃導(dǎo)管就可以改裝成噴泉實(shí)驗(yàn)裝置，如圖8。

■

圖8

三、本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

（一）實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、直觀

本實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)裝置是實(shí)驗(yàn)室常見的儀器裝置，便于取用，不需要再進(jìn)行復(fù)雜的加工和連接組裝。對(duì)老師來說操作起來方便而且可以反復(fù)使用，便于提高課堂效率；對(duì)學(xué)生來說也便于開展分組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的使用率會(huì)高。學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的意識(shí)也會(huì)增強(qiáng)，利于激發(fā)興趣。

（二）實(shí)驗(yàn)操作便捷

本實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，洗氣瓶本身自帶刻度，無需提前做標(biāo)記，也無需加熱，更加節(jié)約能源，也不用考慮操作過程中燃燒匙伸入快或者慢的問題，只需加藥品后進(jìn)行震蕩冷卻后即可進(jìn)行讀數(shù)，得出數(shù)據(jù)以及結(jié)論，與此同時(shí)能為學(xué)生檢驗(yàn)化學(xué)理論，驗(yàn)證化學(xué)實(shí)驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)事實(shí)證據(jù)。

（三）實(shí)驗(yàn)誤差小，更精準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)所利用的焦性沒食子酸對(duì)于氧氣的吸收率很高，放熱也少，恢復(fù)至室溫也快，在測(cè)定數(shù)據(jù)方面有很大的優(yōu)勢(shì)，測(cè)得的數(shù)據(jù)誤差小，更精準(zhǔn)，在教學(xué)過程中也便于分析。

（四）實(shí)驗(yàn)的拓展應(yīng)用范圍廣

塑料洗瓶耐酸耐堿，且?guī)菪y的塑料塞讓整套裝置在使用過程中基本保持良好的氣密性，在常見氣體的制備中可以經(jīng)常使用，也可改造成噴泉實(shí)驗(yàn)，視覺上更為直觀，應(yīng)用更為廣泛。

（作者單位：福建省廈門集美中學(xué)）

編輯：曾彥慧