浅析空气中氧气含量测定实验

浅析空气中氧气含量测定实验

“空气中氧气含量测定实验”位于人教版九年级上册第二章，是初中化学的第一个定量实验。教材本实验是利用红磷燃烧消耗烧杯内氧气，装置如图1所示，通过水倒吸的体积，粗略测定密闭装置内氧气的体积，集气瓶内水平面上升约 1/5，说明空气中的氧气被消耗了，消耗的氧气约占空气体积的1/5，从而测出空气中氧气的含量。通过对该实验的探究，揭示了空气的组成，开启了具体物质的学习。

但是，该实验方案存在一定的缺陷，产生一定误差，难以得出氧气约占空气体积的1/5的结论，实验误差原因如下：

(1)药品选择不合理

红磷的着火点为 240℃，如果在集气瓶外用酒精灯进行点燃，生成物五氧化二磷白烟会大量逸散到空气中，这样造成环境污染；除此之外，红磷燃烧无法彻底消耗氧气，磷在集气瓶内燃烧结束后，瓶内仍有7%以上的氧气剩余。

(2)装置系统误差

在外点燃红磷后再伸入集气瓶，使装置无法始终完全密闭，该过程导致瓶内的空气发生膨胀，一部分逸出，装置的气密性很难达到标准；红磷燃烧过程中放热，会使瓶内气体受热膨胀，有可能使塞子弹出，造成实验的偶然误差；装置中的导管原来是有空气的，这部分体积并不小且不易估计，后来导管里充满了水，这部分水没有进入集气瓶中，导致测量误差; 用于测量气体体积所标示的刻度线不够精确等。

图1 测定空气中氧气的含量

1 实验改进药品的选用

1.1 白磷

白磷，着火点比红磷更低，约为 40 ℃，易燃烧。一些化学老师使用水浴加热、通电后铜丝发热、吹风机加热、激光笔等方式引燃密闭装置内的白磷，生成的白烟始终在装置里，不会造成空气污染，对环境友好；同时与外界没有物质交换，避免了装置系统误差。

俞红星老师利用放大镜会聚太阳光(图2)和热水浴法(图3)使白磷燃烧，放大镜聚焦法只有光源充足情况下实验才有可能成功，出于课堂场地、安全与课时等方面考量，无法组织学 生在课外进行该实验；热水浴法则需不断给水加热，同时要避免集气瓶过热导致爆裂，该方法比较耗时且存在安全隐患，不适合演示实验。姚秋玲和王锋老师用激光笔在室温下 5 s 内点燃白磷，但这需要使用大功率的激光笔，学生一旦使用不当可能会造成眼睛灼伤、甚至引起火灾等不良后果。朱华英和刘怀乐老师用预先加热的玻璃棒与白磷接触使其燃烧(图4) ，但玻璃棒的预热程度并不易于控制。

并且白磷本身有毒，易自燃，实验剩余白磷不能随意丢弃，处理起来也比较麻烦，课堂操作不当反而造成更大安全风险。

图2 用放大镜引燃白磷 图3 用水浴加热引燃白磷

图4 用炽热的玻璃棒引燃红磷

1.2 蜡烛与酒精

邵蔚、刘秀群老师提出改用燃烧蜡烛的方法来测定空气中氧气的含量，蜡烛燃烧会生成气体二氧化碳，用氢氧化钠溶液或澄清石灰水来吸收二氧化碳，消耗氧气的同时吸收蜡烛燃烧产生二氧化碳，从而产生压强差，通过水倒吸的体积，测定密闭装置内氧气的体积。

许苏宜、丁伟老师指出用燃烧酒精的方法对教材装置进行改进，与蜡烛燃烧装置原理一样，由于酒精燃烧消耗氧气生成气体二氧化碳，用氢氧化钠溶液吸收二氧化碳后装置内压强减小，通过水倒吸的体积，测定密闭装置内氧气的体积。

虽然蜡烛、酒精有取材方便，操作简单，安全可靠，无毒无污染等优点，但是蜡烛、酒精不完全燃烧会产生一氧化碳气体，一氧化碳不能被碱溶液吸收，实验误差较大。该方案可以作为家庭小实验进行，利用家中常见物品自制空气中氧气量的测定装置，拉近学生与化学的心理距离，培养学生创新思维与动手解决问题的能力。并且酒精在有限空间里燃烧需要的最低氧含量是15.0%，酒精无法彻底消耗装置内氧气造成实验误差。

1.3 氢氧化亚铁、多硫化钠和邻苯三酚

王发应老师提出根据氢氧化亚铁易被空气中氧气氧化的原理，来对空气中氧气的体积分 数进行测定。首先在课前利用铁粉和硫酸溶液反应制备硫酸亚铁溶液，在课堂上用注射器吸取新制备的硫酸亚铁溶液，加入氢氧化钠溶液，使两者反应，得到氢氧化亚铁，然后抽入空气，振荡，使氢氧化亚铁和注射器中的空气充分接触，最后通过注射器中减少的体积确定注射器内氧气的体积，从而计算出氧气的体积分数（图5）。

王胤琪老师提出可以利用多硫化钠固体在潮湿的空气中极易吸收氧气的原理，反应方程式为2Na2Sx+O2+2H2O=2xS↓+4NaOH。首先氢氧化钠和硫磺粉充分混合均匀后置于坩埚中，用酒精灯加热后制取Na2Sx取1支20mL的注射器，往针筒中加半药匙的多硫化钠，塞好活塞后吸取1 mL的水并同时抽取19 mL空气，使注射器活塞位于20 mL刻度处。将注射器针头插入橡胶塞使针管密封。随后充分振摇针管使多硫化钠溶液完全吸收O2，注射器活塞缓慢向前移动在15 mL 刻度处停止，针管中的气体体积减小4 mL，由此可算出O2的体积分数为21%，整个测定过程在2 min内完成，反应速度快，便于教师进行课堂演示。

鲁荣、蔡雪增提出可用邻苯三酚法改进空气中 氧气含量的测定实验。邻苯三酚在pH＜7时几乎不与氧气反应，但在常温下、碱性环境中可以迅速与氧气反应。作者通过注射器吸 入空气，先后吸取邻苯三酚、氢氧化钠溶液，立即用止水夹夹住针孔处橡胶导管，针孔向下，上下来回振荡，使邻苯三酚与氧气充分反应，水平静置直到液面位置不再变化为止，约1min就能测出氧气的体积分数，反应速度快，便于教师进行课堂演示。

图5 利用氢氧化亚铁测定氧气含量

虽然使用氢氧化亚铁、多硫化钠和邻苯三酚都能与空气中的氧气充分反应，但是氢氧化亚铁、多硫化钠不能直接使用，还需提前制备；邻苯三酚有毒，对人的皮肤有刺激作用，不适合进行课堂演示实验。并且该些药品不属于初中化学知识，在化学学习初期就讲授复杂实验原理是不符合学生身心发展规律，难免使学生对化学产生“难、危险、无趣”的刻板现象。除此之外，一些实验室是没有配备邻苯三酚等药品。

1.4 食品脱氧剂的应用

常见的食品脱氧剂多为无机铁系脱氧剂，主要成分为高纯度的活性铁粉和催化剂的混合物，其原理为铁粉和氧气在催化剂作用下发生氧化反应，并释放一定热量(常用作暖宝宝内容物)，实质是利用铁的吸氧腐蚀除去氧气。用铁粉可提高反应的表面积，加快反应速度；活性炭则具有很强的吸附能力，它能吸附空气中的氧，而食盐是一种强电解质，能为金属锈蚀过程中的电子转移创造有利条件，起到促进反应的作用。 徐泓老师将脱氧剂置于量筒中，用玻璃棒将其捅入量筒底部并使之固定，再将量筒迅速倒置于盛有水的大烧杯中，进而观察量筒内液面的上升情况(图6) ; 另一个实验方案是将脱氧剂用弯曲的大头针固定在橡皮塞上，迅速将橡皮塞塞紧在广口瓶上，观察量筒中水的减少量(图7) 。

图6 脱氧剂位于量筒底部 图7 脱氧剂位于广口瓶上部

但是图6内外或两侧的高低液面产生压强差，由于装置本身的问题而难以缓解调整，致使实验测量不准确；图7未排除脱氧剂本身体积对测量结果的影响，从而造成一定的误差。

2实验改进装置的选用

容器改进往往改用试管、U 型管、直玻璃管，针筒，不仅使反应容积减小，节省了药品用量和实验时间，容器内径上下基本一致，增加了测量的准确性。

2.1 改用试管、U型管

尚广斗老师将底部有一小孔的大试管竖直置于盛有水的烧杯中，塞紧带有燃烧匙和粗铜丝的橡皮塞，用灼热的铜丝引燃燃烧匙中的白磷，气体体积用试管中间部分的气体高度来表示(图8) ; 师海满老师往U型管内注入适量水，在金属网勺内放入适量白磷，将橡皮塞置于U型管有刻度一端使其充分密闭，用酒精灯给导热金属棒加热使白磷燃烧，充分冷却后， U型管封闭端水面上升(图9) 。

但试管、U型管内外或两侧的高低液面产生压强差，由于装置本身的问题而难以缓解调整，致使实验测量不准确。

图8 底部有孔的试管装置 图9 U型管实验装置

2.2 针筒

张文广老师在采用针筒改进装置，往简化、微型、密闭的试管中加入一定量的红磷（图 10），并在试管塞中插入注射器构成密闭系统，记下注射器中空气的初始体积；用酒精灯微热试管，红磷燃烧产生大量的白烟，活塞向右移动；燃烧结束试管冷却后，活塞向左移动。记下注射器中空气的终止体积，用活塞移动的体积除以空气的初始体积就可以得到空气里氧气的含量。

图10 巧妙利用针筒测定空气中氧气含量

2.3 连接器

沙琦波老师结合物理连接器原理，消除使用底部开口的试管、U型管内外或两侧的高低液面产生压强差致使实验测量不准确的困扰，创新设计空气中氧气含量测量装置（图11），用导管将装置两个试管连接，并利用支架固定好两个试管，第一试管内装有红墨水在，第二容器食品脱氧剂。用食品脱氧剂将第二容器内空气中的氧气耗尽形成负压，打开止水夹，在压强差的作用下，第一容器内的水倒吸入第二容器中。调节第二容器的高度，使第二容器中的液面与第一容器中的液面最终高度相同，防止液体压强对实验结果的影响。此时进行读数，进入第二容器的水的体积则为消耗的氧气体积，由此通过计算验证氧气所占原空气体积的百分比。

姚秋玲老师同样结合物理连接器原理改进装置，原理与沙琦波老师相近（图 12）。使用器材有：玻璃管、燃烧匙、50mL 酸式滴定管、高功率激光笔、橡胶导管、铁架台等，本套装置所用器材都是中学化学所涉及的普通仪器，取用方便，且不需要进行再改装。首先，检查装置气密性后，将稍过量的白磷放入燃烧匙，塞紧上端橡胶塞，调整玻璃管与酸式滴定管内液面于同一水平线，读取酸式滴定管内视数V0；随后用高功率激光笔点燃白磷，观察玻璃管内有大量白烟生成，液面先下降后再上升，待冷却至室温，调整玻璃管与酸式滴定管内液面于同一水平线，读取酸式滴定管内视数V1；最后，打开上端橡胶塞，将玻璃管位置下移，酸式滴定管上移，至玻璃管中充满水，立即再塞紧上端橡胶塞，调整酸式滴定管高度至与玻璃管内液面于同一水平线，读取酸式滴定管内视数V2。

氧气体积 V（O2）=V1-V0，玻璃 管内原有空气体积 V（空气）=V2-V0。氧气占空气 的体积分数 O2%= V（O2）/ V（空气）×100% 图11 新设计装置 图12 改进装置

2.4 数字化仪器

刘艳老师利用三颈烧瓶，配合采用压强、氧气、温度三种传感器同时检测暖宝宝发热过程中三种物理量的变化趋势（图 13）。体现了化学实验从定性走向定量。同时还实现了气压、氧气浓度、温度三者的同步变化，大大节约了实验时间。通过分析图像，还巩固了图像题的解题策略。王寿红老师同样利用压力传感器测定空气中氧气含量。

图13 数字化仪器测定空气中氧气含量

3 总结

药品的改进总结如下，白磷虽燃点低，但有毒，不适合学生进行随堂实验；蜡烛与酒精虽易于获取，但燃烧不完全会产生不溶于水的一氧化氮，并且难以耗尽空气中氧气，干扰实验结果；氢氧化亚铁、多硫化钠和邻苯三酚虽然与充分空气中氧气充分反应，但不能直接使用，并且难以获取，对初学者而言其反应原理复杂、生涩，增加学生工作记忆负担，阻碍核心知识的理解与内化；食品脱氧剂的应用不仅易于获取，但是贴合学生生活实际，拉近学生与化学的心理距离，但是该装置实验耗时长（10分钟），教师难免把控“10分钟”的课堂空白。